DE102012104817A1

DE102012104817A1 - Verfahren und Maschine zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Gleitlagerstellen mittels PECM

Info

Publication number: DE102012104817A1
Application number: DE201210104817
Authority: DE
Inventors: Matthias Weber; Leo Schreiber
Original assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: DE102012104817B4

Abstract

Um den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu senken, wird auch versucht, die innere Reibung im Motor zu reduzieren. Für die radialen Lagerstellen 1 an der Kurbelwelle 2 wird dies erzielt, indem sehr feine, auch in ihrer Form und Verteilung sehr definiert herstellbare, insbesondere nicht miteinander in Verbindung stehende Vertiefungen 27 mittels PECM hergestellt werden, und im Zuge dieser Bearbeitung zum Teil auch noch weitere Bearbeitungsschritte integriert werden.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft gleitgelagerte Radial-Lager, insbesondere die Lagerstellen einer Kurbelwelle in einem Verbrennungsmotor, einerseits gegenüber dem Motorblock und andererseits gegenüber den Pleueln.
II. Technischer Hintergrund
Bei Gleitlagern ist es sowohl für die Größe der Gleitreibung als auch für die Lebensdauer des Gleitlagers essenziell, dass in möglichst allen Betriebszuständen ausreichend viel Schmiermittel und in möglichst gleichmäßiger Verteilung zwischen den Kontaktflächen der Gleitpaarung vorhanden ist.
Mit dem zunehmenden Einsatz von Start-stop-Systemen in Kraftfahrzeugen nimmt diese Bedeutung massiv zu, denn dadurch wird die Anzahl der Anlauf-Vorgänge der Gleitlager um den Faktor 100 oder mehr erhöht.
Aus diesem Grund werden die Kontaktflächen von Gleitlagern so bearbeitet, dass sie kleine Vertiefungen aufweisen, die als Reservoir für Schmiermittel dienen. Aufgrund dessen beträgt der Traganteil eines Gleitlagers, also der Flächenanteil, mit dem die Kontaktflächen tatsächlich aneinander Anliegen, immer deutlich unter 100 %, teilweise sogar unter 60 %.
Die entsprechende Strukturierung der Gleitflächen wird durch spezielle Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Finishen oder Hohnen erreicht, wobei jedoch die konkrete Anordnung der Vertiefungen nicht vorgegeben werden kann, und auch die Streuung hinsichtlich der Größe, insbesondere der Tiefe, dieser Vertiefungen relativ groß ist. Vor allem hängt das Ergebnis der Strukturierung auch stark von der Erfahrung der ausführenden Person ab.
Um eine hinsichtlich Anzahl, Größe, Tiefe und Verteilung der Vertiefungen definierte Strukturierung der Kontaktfläche eines Gleitlagers zu erzielen, ist es ebenfalls bereits bekannt, diese Oberfläche mittels Laser zu beschießen und dadurch die gewünschten Vertiefungen zu erzielen.
Diese Vorgehensweise hat jedoch zum einen den Nachteil, dass sie sehr zeitaufwändig ist bei einer großen Anzahl von Vertiefungen, und darüber hinaus der auftreffende Laserstrahl auf der Oberfläche nicht nur eine Vertiefung erzeugt, sondern auch eine die Vertiefung ringförmig umgebende Aufwerfung, die in vielen Fällen nicht erwünscht ist, und eine erneute Nachbearbeitung zur Beseitigung dieser Aufwerfung erfordert. Generell ist die Flanken Form der mittels Laser hergestellten Vertiefung kaum steuerbar.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Laserbearbeitung eine räumlich eng begrenzte starke Erhitzung und anschließende schnelle Abkühlung erfolgt, was zu nicht erwünschten neuen Härte-Zonen führt.
Für ganz andere Anwendungszwecke ist das Bearbeitungsverfahren des elektrochemischen Ätzens (ECM) bekannt, welches auch gepulst angewandt wird (PECM).
Hiermit werden dreidimensionale Oberflächen erzeugt, beispielsweise die dreidimensionale Oberfläche von Münzen hergestellt.
Durch die Annäherung einer entsprechend negativ gestalteten Elektrode an die zu bearbeitenden Oberflächen wird aus dieser Oberfläche Material abgetragen, was bei diesem Prozess sehr viel feiner als zum Beispiel mittels Funken-Erosion möglich ist.
Für die Stromleitung und den Abtransport der gelösten Stoffe wird während des gesamten Prozesses eine stromleitende Flüssigkeit durch den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück hindurchgepresst.
Bei Kurbelwellen, insbesondere die Kurbelwellen für Pkw-Motoren mit hohen Zylinderzahlen, als Werkstücken kommt hinzu, dass sie während der Bearbeitung instabile und damit schwer bearbeitbare Werkstücke darstellen. Die Beurteilung der Maßhaltigkeit einer fertigen Kurbelwelle erfolgt primär – neben der axialen Lagerbreite – durch die Beurteilung folgender Parameter:

– Durchmesserabweichung = maximale Abweichung vom vorgegebenen Solldurchmesser des Lagerzapfens,
– Rundheit = makroskopische Abweichung von der kreisrunden Sollkontur des Lagerzapfens, angegeben durch den Abstand des äußeren und inneren Hüllkreises,
– Rundlauf = radiale Maßabweichung bei sich drehendem Werkstück, verursacht durch eine Exzentrizität der drehenden Lagerstelle und/oder eine Formabweichung der Lagerstelle von der idealen Kreisform,
– Rauheit in Form der gemittelten Einzelrautiefe Rz = die mikroskopische Rauheit der Oberfläche der Lagerstelle repräsentierender, rechnerisch ermittelter Wert,
– Traganteil = der tragende Flächenanteil der mikroskopisch betrachteten Oberflächenstruktur, der zu einer anliegenden Gegenfläche in Kontakt steht,

– Hubabweichung = maßliche Abweichung des Ist-Hubes (Abstand der Ist-Mitte des Hublagerzapfens von der Ist-Mitte der Mittellager), vom Sollhub und
– Winkelabweichung = in Grad oder als auf den Hub bezogenes Längenmass in Umfangsrichtung angegebene Abweichung der Ist-Winkellage des Hublagerzapfens von seiner Soll-Winkellage relativ zur Mittellagerachse und bezüglich der Winkelstellung zu den übrigen Hublagerzapfen.

Dabei wird die Einhaltung der gewünschten Toleranzen bei diesen Parametern sowohl durch die zur Verfügung stehenden Bearbeitungsverfahren als auch die Instabilität des Werkstückes und die Bearbeitungskräfte begrenzt.
Auch die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens spielt in der Praxis eine große Rolle, vor allem für die Serienfertigung, in der Taktzeit und damit Herstellkosten eine entscheidende Rolle spielen, während bei Bearbeitungen im Einzelversuch oder für Prototypen diesen Beschränkungen nicht unterliegen.
Dies gilt besonders für die letzten Verfahrensschritte der Feinbearbeitung und Oberflächenstrukturierung.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein radiales Gleitlager, insbesondere an einer Kurbelwelle, zu schaffen sowie ein Verfahren zu seiner Erzeugung, sowie die dafür erforderliche Maschine und Prozesskette zur Verfügung zu stellen, die mit geringem Aufwand eine insbesondere endgültige definierte Strukturierung der Kontaktfläche des Gleitlagers zulässt.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 17 und 30 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dies wird durch ein Bearbeitungs-Verfahren mittels elektro-chemischem Ätzen (ECM) erreicht, welches besonders effizient und damit mit geringen Bearbeitungszeiten auskommt, indem

– entweder während der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück abwechselnd mittels Vibration größer und kleiner wird, insbesondere mittels Vibration des Werkzeuges, (PECM) und/oder
– die Spannungs-Beaufschlagung oder Strombeaufschlagung des Werkzeuges pulsiert.

Beide Maßnahmen, sowohl einzeln als auch in Kombination, beschleunigen den gewünschten Materialabtrag erheblich, so dass die Oberflächenstrukturierung mit Hilfe dieser Verfahren deutlich schneller vor sich geht als mit konkurrierenden Verfahren.
Dabei hatte sich erwiesen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Abstandsvibration mit einer Frequenz von 1–100 Hz, besser 5–70 Hz, besser 10–50 Hz durchgeführt wird und/oder die Strom-Pulsation mit einer Pulsdauer von 1 bis 10 ms, besser von 2–4 ms durchgeführt wird und mit Pausen zwischen den einzelnen Pulsen, die so kurz wie möglich sind, jedoch mindestens der Pulsdauer entsprechen. Bei Kombination von Vibration und Pulsation werden die Pulse im Zustand der größten Annäherung zwischen Werkzeug und Werkstück aufgebracht.
Die Bearbeitung mittels ECM oder PECM kann sowohl die flächige Bearbeitung der Oberfläche der Lagerstelle umfassen als auch das Einbringen von vielen mikroskopisch kleinen Vertiefungen in die Oberfläche oder auch beide Arbeitsschritte gemeinsam.
Für das Einbringen von Vertiefungen in die Oberfläche der Lagerstelle sollte während der Bearbeitung das Werkzeug zumindest in Umfangsrichtung der Lagerstelle besser insgesamt zur Lagerstelle stillstehen, damit die dafür notwendigen entweder Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges oder Durchbrüche in einer Maske zwischen Werkzeug und Werkstück nicht noch kleiner ausfallen müssen als die damit herzustellenden Vertiefungen.
Eine flächige Bearbeitung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen: Entweder kann die Wirkfläche des Werkzeuges zur Oberfläche der Lagerstelle einen ausreichenden Abstand einnehmen, so dass eine eventuell vorhandene Strukturierung des Werkzeuges nicht mehr auf dem Werkstück abgebildet wird, denn die Abbildungsschärfe wird umso niedriger, je größer dieser Abstand ist und verliert sich irgendwann vollständig.
Die andere Möglichkeit besteht darin, das Werkzeug insbesondere in Umfangsrichtung, gegebenenfalls auch axial, relativ zum Werkstück zu bewegen, insbesondere mit einem Vorschub von 0,05–2 mm/min, besser mit einem Vorschub von 0,1–1 mm/min, wodurch auch der Einfluss von Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges eliminiert wird und eine Oberfläche zunächst ohne Vertiefungen auf der Lagerstelle erzielt werden kann.
Durch eine solche flächige Bearbeitung als Vorbehandlung für das Einbringen der Strukturierung, also der Vertiefungen, spricht, dass damit sowohl die Rauigkeit eingestellt werden kann als auch Maßungenauigkeiten behoben werden können und dadurch bisher übliche Feinbearbeitungsschritte an der Lagerstelle entfallen können.
Dabei wird ein Materialabtrag von maximal 30 µm, besser nur 20 µm, besser nur 10 µm, insbesondere aber von mindestens 2 µm durchgeführt, der sowohl zum Beheben von Maßungenauigkeiten als auch von Formungenauigkeiten ausreichend ist. Durch die Mindest-Materialabnahme ist sichergestellt, dass keine Flächenbereiche unbearbeitet bleiben.
Da wie erwähnt zum Verändern der Abbildungs-Schärfe der Oberflächenstruktur des Werkzeuges auf dem Werkstück der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück verändert wird, insbesondere bei einem vibrierenden Abstand der geringste Abstand während der Vibration verändert wird in Abhängigkeit der gewünschten Abbildungs-Schärfe, wird in der Regel zum Einbringen der Vertiefungen der Abstand so gering wie möglich gewählt, da nur hierdurch sichergestellt wird, dass die Vertiefungen etwa ebenso klein sind wie die entsprechenden Erhebungen am Werkzeug.
Als sehr effektiven Kompromiss hat sich erwiesen, dass das Werkzeug in einem Abstand von 5 µm bis 400 µm, besser in einem Abstand von 10 µm bis 100 µm, zur Oberfläche der Lagerstelle gehalten wird.
Dabei kann sogar eine flächige Bearbeitung der gesamten Oberfläche und ein Einbringen von Vertiefungen in einem Arbeitsgang durchgeführt werden:
Indem die Wirkfläche des Werkzeuges tangential zu der konvex gekrümmten Oberfläche des Werkstückes ist, nimmt der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück von der Stelle der größten Annäherung aus in Umfangsrichtung zu. Dies bedeutet, dass in den von dem geringsten Abstand entfernten Bereichen sich die Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges entweder nicht mehr auf dem Werkstück abbilden oder gar keine Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges mehr vorhanden sind, jedenfalls in diesem abseitigen Bereich eine Flächenbehandlung durchgeführt wird, während im Bereich des geringsten Abstandes sich die Erhebungen des Werkzeuges auf der Oberfläche des Werkstückes abbilden.
Danach wird das Werkstück in Umfangsrichtung gedreht oder das Werkzeug in Umfangsrichtung weiter bewegt, und in Umfangsrichtung der nächste Bereich bearbeitet. Dann darf natürlich nicht mehr mittels flächiger Bearbeitung der Bereich, in dem bereits Vertiefungen eingebracht waren, bearbeitet werden, weshalb das Werkzeug vom Punkt des geringsten Abstandes aus nur in eine Richtung tangential oder mit zunehmendem Abstand abstreben sollte.
Die gleiche Wirkung tritt ein, jedoch im verringertem Maße, wenn die Wirkfläche des Werkzeuges konkav gekrümmt ist, jedoch mit einem größeren Krümmungsradius als die konvex gekrümmte Oberfläche der Lagerstelle, denn dann nimmt von der Stelle mit geringstem Abstand aus der Abstand zwischen Werkstück und Werkzeug in Umfangsrichtung weniger stark zu.
Die zwischen Werkzeug und Werkstück angelegte Spannung sollte etwa zwischen 10 V und 50 V betragen, insbesondere zwischen 20 und 30 V. Als Elektrolyt kann Natriumchlorat oder Natriumnitrat verwendet werden, da dies unter Umweltaspekten unkritische Chemikalien sind, und auch den meistens aus Stahl oder Guss bestehenden Werkstücken nicht schaden.
Für die hohe Effizienz des Verfahrens ist es unter anderem wichtig, dass im Bearbeitungsspalt ständig eine ausreichende Menge an flüssigem Elektrolyt hindurch gepresst wird, um die ausgelösten Stoffe und Partikel wegzubefördern, denn nur durch ein möglichst sauberes Fluid wird ein guter Stromfluss erzielt und damit eine hohe Verfahrens-Effizienz.
Das für die Stromführung benötigte Fluid wird z. B. über das Zentrum der Werktrode mittels einer dort vorhandenen Bohrung während der Bearbeitung in den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück gepresst.
Durch die erfindungsgemäßen Möglichkeiten der Feinbearbeitung lässt sich auch eine sehr effiziente, gegebenenfalls verkürzte, Prozesskette zur Fertigbearbeitung von Kurbelwellen erreichen:
Bevorzugt wird nämlich die Bearbeitung mittels elektrochemischem Ätzen unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung mit bestimmter Schneide durchgeführt und weitere Feinbearbeitungsschritte, wie etwa das Schleifen, vermieden. Gegebenenfalls kann dazwischen ein Fein-trocken-schleifen durchgeführt werden, um unter anderem die für Gleitlagerstellen gewünschte funktionale Rauheit herzustellen.
Danach sollte insbesondere kein weiterer Bearbeitungsschritt mehr erfolgen, sondern die Kurbelwelle ist dann einsatzfertig.
Falls ein Härten der Oberfläche der Lagerstelle oder Beschichten mit einer Hartschicht gewünscht ist, wird dies vor dem elektro-chemischem Ätzen durchgeführt, insbesondere unmittelbar davor.
Das Bearbeiten mittels elektrochemischem Ätzen unmittelbar nach der spanende Bearbeitung mit bestimmter Schneide wird maximal auf eine Genauigkeit von 10 µm bei der Rundheit und/oder dem Durchmesser durchgeführt, obwohl bei der spanenden Bearbeitung mit bestimmter Schneide durchaus höhere Genauigkeiten möglich wären. Es ist jedoch wirtschaftlicher und die gewünschte Formgebung und auch Oberflächenstruktur kann reproduzierbarer erreicht werden, wenn ab diesem Aufmaß mittels elektrochemischem Ätzen gearbeitet wird.
Die Prozesskette kann auch dadurch verkürzt werden, dass gleichzeitig mit der Bearbeitung der Oberfläche der Lagerstelle auch im Inneren des Werkstückes ein Entgraten durch elektro-chemisches Ätzen durchgeführt wird, insbesondere an den Kreuzungen von Bohrungen.
Erfindungsgemäß wird somit ein entsprechendes Produkt, also eine Lagerstelle, insbesondere an einer Kurbelwelle, mit einer mittels elektrochemischem Ätzen strukturierten Oberfläche erzielt, bei der in der Oberfläche der Lagerstelle wenigstens bereichsweise eine Vielzahl von Vertiefungen angeordnet sind, die eine Tiefe von maximal 20 µm, insbesondere maximal 15 µm, insbesondere maximal 10 µm, insbesondere maximal 5 µm besitzen und in der Aufsicht betrachtet eine kleinste Erstreckung von maximal 40 µm, besser maximal 20 µm, besser maximal 15 µm.
Denn es hat sich gezeigt, dass auch bereits sehr flache Vertiefungen eine starke Minimierung der Reibung im Betrieb der Lagerstelle bewirken.
Entgegen allen bisherigen Vorurteilen, in deren Sinne ja teilweise versucht wurde, entweder sehr lange Rillen oder vernetzte Muster von Vertiefungen mit größerer Tiefe und Breite auf den Oberflächen von Lagerstellen aufzubringen, hatte sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass die Vertiefungen nicht miteinander in Verbindung stehen müssen, sondern einzelne singuläre Vertiefungen, die keine Verbindung untereinander haben – außer über die vorhandene Rauigkeit der Oberfläche in den Bereichen zwischen den Vertiefungen – völlig ausreichend sind, aber sehr viel einfacher herzustellen sind.
Dabei sollte der Abstand der Vertiefungen maximal 100 µm, besser nur maximal 80 µm, besser nur maximal 50 µm betragen.
Der mit Vertiefungen besetzte Flächenanteil – bei bereichsweiser Strukturierung nur gerechnet auf den strukturierten Bereich – sollte bevorzugt 1 % bis 30 %, insbesondere 1 % bis 15 %, insbesondere 1% bis 5% betragen, da ein vor allem höherer Flächenanteil nur noch zu marginalen Verbesserungen des Reibungsverhaltens führt.
Ferner sollte das Verhältnis der Tiefe zum größten oberflächlichen Durchmesser der Vertiefungen zwischen 0,005 und 0,02, insbesondere zwischen 0,008 und 0,012, betragen, da dies die beste Depotwirkung für Schmiermittel ergibt.
Wenn die Vertiefungen am Übergang zwischen den Flanken zur Oberfläche der Lagerstelle eine Rundung mit einem Radius von mindestens 2 µm und/oder eine Schräge von weniger als 60° zur Oberfläche aufweisen, kann hierdurch besonders leicht durch die Drehung des Lagers das Schmiermittel aus der Vertiefung herausgezogen und in den Lagerspalt abseits der Vertiefungen verbracht werden.
Aus dem gleichen Grund sollte auch Im Bereich zwischen den Vertiefungen die Oberfläche eine Rauheit Rz von 1 bis 4 µm, aufweisen.
Aus dem gleichen Grund sollte im Bereich zwischen den Vertiefungen auch ein Traganteil von mindestens 50 %, jedoch höchstens 85 % vorhanden sein.
Als am besten haben sich dabei Vertiefungen erwiesen, die in der Aufsicht eine kreisrunde Form besitzen oder eine längliche Form, deren Haupterstreckungs-Richtung in einem Winkel von 0–30°, besser 0–15° zur Umfangsrichtung liegt.
Bei einer länglichen Form sollte die in der Aufsicht betrachtet die größte Erstreckung nicht mehr als das 20-fache, besser nicht mehr als das zehnfache, besser nicht mehr als das fünffache der kleinsten Erstreckung betragen.
Zur Herstellung der Vertiefungen sind auf der Wirkfläche des Werkzeuges Erhebungen entsprechend der Form, Größe und Verteilung der gewünschten Vertiefungen angeordnet oder die glatte Wirkfläche eines Werkzeuges ist von einer Maske, insbesondere einem Band, aus elektrisch nicht leitfähigen Material abgedeckt, in dem Durchbrüche angeordnet sind, durch welche hindurch der Stromfluss zum Werkzeug stattfindet, und insbesondere beträgt die Dicke der Maske dabei maximal 100 µm, besser maximal 60 µm.
Werkzeuge mit Erhebungen ergeben eine bessere Abbildungsgenauigkeit auf dem Werkstück, während eine Maske, die die glatte Wirkfläche des Werkzeuges abdeckt und deren Durchbrüche den Stromfluss steuern, sehr einfach hergestellt werden kann und auch sehr einfach ausgewechselt werden kann.
Bevorzugt wird die Oberfläche der Lagerstelle in axialer Richtung nur in Teilbereichen, insbesondere an den Rändern, mittels der Vertiefungen strukturiert und/oder in Umfangsrichtung, insbesondere bei Hub-Lagerstellen, nur in demjenigen Teilbereich von z. B. 30°, in dem die Hauptbelastung im Betrieb des Verbrennungsmotors auftritt. Dadurch kann der Bearbeitungsaufwand und die Bearbeitungszeit reduziert werden, ohne die Wirkung nennenswert zu verschlechtern.
Für die Wirkung als Öl-Depot spielt auch die Querschnittsform der einzelnen Vertiefungen eine Rolle. Wenn bei einem in Umfangsrichtung der Vertiefungen liegenden Schnitt die entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle gerichtete Flanke der Vertiefung weniger steil verläuft als die Gegenflanke, kann über diese flache Flanke das Schmiermittel aus der Vertiefung besonders leicht herausgezogen werden, während die steile Flanke ein ausreichendes Volumen der Vertiefung bei geringer Fläche in der Aufsicht bietet.
Eine Maschine zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Lagerstellen, insbesondere an einer Kurbelwelle, mittels elektro-chemischem Ätzen, sollte bevorzugt eine Maschine mit Achsanordnung und Werkstückspindelanordnung wie bei einer Drehmaschine und mit gesteuerter C-Achse sein und insbesondere wenigstens eine ECM- oder PECM-Werkzeugeinheit aufweisen, die in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist.
Um an ein und derselben Lagerstelle zwei einander gegenüberliegende Bereiche gleichzeitig bearbeiten zu können, können zwei einander gegenüberliegende Ätz-Werkzeuge in den Zinken eines gabelförmigen Halters angeordnet sein, dessen Zinken vorzugsweise gegeneinander bewegbar sind, zum einen zum Zweck der Anpassung an unterschiedliche Lagerdurchmesser, zum anderen auch zum Annähern des Werkzeuges an die Oberfläche der Lagerstelle.
Unabhängig davon sollte sich die Wirkfläche des Werkzeuges über einen Umfangswinkel von mindestens 10°, besser 20°, besser 30° und/oder jedoch höchstens 90°, besser höchstens 70°, besser höchstens 50° der Lagerstelle erstrecken, denn nur dann ist sichergestellt, dass durch die radiale Annäherung des Werkzeuges an das Werkstück die Form der Erhebungen des Werkzeuges genau genug auf dem Werkstück abgebildet werden.
Um die Abbildegenauigkeit zu maximieren, sollte das Werkzeug am besten eine konkave Krümmung besitzen, die genau der konvexen Krümmung der zu bearbeitenden Lagerstelle entspricht, so dass die Wirkfläche des Werkzeuges an allen Stellen des Werkzeuges den gleichen Abstand zur Oberfläche der Lagerstelle hat.
Wenn jedoch vor dem Einbringen der Vertiefungen im selben Arbeitsgang eine flächige Bearbeitung, also Materialabtrag und/oder Glättung, der Werkstück-Oberfläche erfolgen soll, kann es sinnvoll sein, wenn die Wirkfläche des Werkzeuges tangential zu der konvex gekrümmten Oberfläche des Werkstückes oder konkav gekrümmt, jedoch mit einem insbesondere um den Faktor 1,1–2,0 größeren Krümmungsradius als die konvex gekrümmte Oberfläche der Lagerstelle ist, und von dem Bereich des geringsten Abstandes zwischen Werkzeug und Werkstück aus das Werkzeug in Bearbeitungsrichtung vorsteht.
Dann wird die Werkstückoberfläche zunächst von dem beabstandeten Bereich des Werkzeuges bearbeitet, und zwar flächig, entweder weil das Werkzeug dort gar keine Erhebungen auf seiner Wirkfläche mehr besitzt oder weil deren Abstand so groß ist, dass sie sich nicht mehr auf der Werkstückoberfläche abbilden.
Anschließend wird das Werkstück relativ zum Werkzeug verdreht, bis der zuvor mit Abstand bearbeitete Flächenbereich des Werkstückes sich nun im Bereich des geringsten Abstandes zum Werkzeug befindet und dabei in diesem Bereich die gewünschten Vertiefungen eingebracht werden.
Wenn die Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges eine mindestens um den Faktor zwei, besser um den Faktor drei, größere Höhe besitzen als die Tiefe der damit herzustellenden Vertiefungen, so bewirkt dies, dass keine allzu starke Annäherung des Werkzeuges an das Werkstück notwendig ist und damit die Bereiche zwischen den Vertiefungen wenig beeinflusst werden.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1a, b: Eine erfindungsgemäße Maschine,
2a, b: das Grundprinzip des elektro-chemischen Ätzens,
3a, b: die fertig bearbeitete Lagerstelle,
4a, b: Querschnittsformen von Vertiefungen,
5a, b: verschiedene Elektroden-Formen,
6: die Beeinflussung des Bereiches zwischen den Vertiefungen.
In 2 ist zunächst das – an sich bekannte – Funktionsprinzip des elektro-chemischen Ätzens (ECM) auch in seiner pulsierenden Forum (PECM), dargestellt:
Zwischen einem Werkzeug in Form einer Elektrode 25 und einem Werkstück 2 aus einem elektrisch leitenden Material fließt ein Strom, indem der Spalt 23 dazwischen von einem elektrisch leitfähigen Fluid, dem Elektrolyt 4, gefüllt ist.
Dadurch wandern Elektronen von der negativ geladenen Elektrode 25 zum positiv geladenen Werkstück 2 und positiv geladene Metall-Ionen aus dem Metall des Werkstückes 2 in Gegenrichtung, wodurch ein Materialabtrag an der Oberfläche des Werkstückes bewirkt wird.
Wenn die dem Werkstück 2 zugewandte Wirkfläche 24 des Werkzeuges 25 dreidimensional konturiert ist, zum Beispiel Erhebungen 26 aufweist, wird sich diese Kontur in der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes 2 abbilden, wenn der Spalt 23, also der Abstand 3 zwischen Werkzeug 25 und Werkstück 2, klein genug ist und die Zeitdauer für einen ausreichenden Abtrag von Material aus der Oberfläche des Werkstückes 2 ausreicht.
Denn die Größe des Materialabtrages hängt nicht nur von der Stärke des Stromflusses ab, sondern eben auch von dem Abstand 23 zwischen Werkzeug und Werkstück, was der Grund ist, dass bei Annäherung im Bereich der Erhebungen 26 ein partiell stärkerer Materialabtrag am Werkstück 2 stattfindet, und dadurch sich die Oberflächen-Gestaltung des Werkzeugs 25 in der Oberfläche des Werkstückes 2 abbildet.
Wesentlich ist dabei, dass eine ausreichende Durchströmung des Spaltes 23 mit Elektrolyt 4 stattfindet, denn dies stellt nicht nur den Stromfluss zwischen Werkzeug 25 und Werkstück 2 sicher, sondern führt auch die aus der Oberfläche des Werkstückes 2 herausgelösten Metall-Ionen und Partikel 32 ab, so dass im Spalt 23 nach Möglichkeit immer ein möglichst wenig verunreinigtes Elektrolyt 4 zur Führung stehen sollte.
Es hat sich herausgestellt, dass statt einer kontinuierlichen Annäherung der Elektrode 25 an das Werkstück 2 eine pulsierende Annäherung einen schnelleren Materialabtrag am Werkstück 2 ergibt, offensichtlich da immer nach einer starken Annäherung und damit einem starken Elektronen- und Ionen-Fluss unmittelbar danach aus dem Spalt 23 die Reaktionsprodukte schnell wieder entfernt werden.
Aus diesem Grund ist die Elektrode 25 an einem Vibrator 31 befestigt, der meist feder-unterstützt ist, und der eine Vibration von zum Beispiel 10–50 Hz durchführt, und zwar mit einer Amplitude in Form zum Beispiel des Abstandes 3, der so gewählt ist, dass im maximal entfernten Zustand kaum oder nur noch geringer Materialabtrag stattfindet. Eine gute Durchspülung des Spaltes 23 mit dem Elektrolyt 4 muss stattfinden, welches dementsprechend auch mit ausreichendem Druck zugeführt werden muss, meist über eine Bohrung 33 oder mehrere Bohrungen, zum Beispiel im Zentrum der Elektrode 25.
Auf diese Weise war es bisher schon bekannt, Konturierungen der Elektrode 25, die sich im Größenbereich von zehntel-Millimetern bewegten, auf der Oberfläche des Werkstückes 2 abzubilden.
Es hat sich ferner gezeigt, dass vor allem bei einer vibrierenden, also sich dem Werkstück 2 periodisch annähernden und wieder entfernenden, Elektrode 25 ein konstanter Stromfluss nicht zu einem maximalen Ergebnis führt, sondern eine gepulste Beaufschlagung mit Strom wesentlich effizienter ist, indem ein Stromstoß immer dann angelegt wird, wenn sich die Elektrode 25 in der Position der maximalen Annäherung an das Werkstück 2 befindet. In der Regel wird zu diesem Zweck im Stromkreis zwischen Elektrode 25 und Werkstück 2 ein oder mehrere Kondensatoren zwischengeschaltet, die aufgeladen werden und sich zum Zeitpunkt der größten Annäherung zwischen Elektrode 25 und Werkstück 2 entladen werden und damit einen Stromstoß mit hoher Stromstärke abgeben.
2b zeigt, dass ein ähnlicher Effekt auch erzielt werden kann, indem die Elektrode 25 eine ebene Wirkfläche 24 besitzt, im Spalt 23 zwischen Elektrode 25 und Werkstück 2 jedoch eine Maske 22, zum Beispiel in Form einer Kunststofffolie, aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet ist, in der Durchbrüche 29 vorhanden sind:
Dann findet ein Stromfluss nur durch die Durchbrüche 29 hindurch statt, und bewirkt dementsprechend nur im Bereich der Durchbrüche 29 einen Material-Abtrag auf der Oberfläche des Werkstückes 2.
Auf diese Art und Weise ist kein hoher Herstellungsaufwand für die strukturierte Oberfläche der Wirkfläche 24 der Elektrode 25 notwendig, da zum Beispiel mittels Laserbeschuss eine entsprechende Maske 22 sehr viel kostengünstiger und schneller hergestellt werden kann.
Allerdings kann bei diesem abgewandelten Verfahren die Querschnittskontur, beispielsweise die Form der Flanken, der damit hergestellten Vertiefungen 27 sehr viel schlechter gesteuert werden, und insgesamt ist die damit erzielbare Strukturierung der Oberfläche des Werkstückes 2 gröber als bei dem gemäß 2a dargestellten Verfahren.
Zusätzlich kann bei dem Bearbeiten mittels Maske 22 eine Bearbeitung im Bereich zwischen den Durchbrüche 29 nicht stattfinden bzw. nicht gesteuert stattfinden.
Eine Strukturierung der Oberfläche eines Werkstückes wie etwa einer Kurbelwelle 2 mit Strukturen im Bereich von nur ein oder einigen wenigen µm Tiefe war jedoch bisher nicht möglich und ist nur mit zusätzlichen Maßnahmen mit diesem Verfahren zu erreichen, wie oben dargelegt.
In den 1a, b ist in Frontansicht und Seitenansicht eine Werkzeug-Maschine 30 dargestellt, um eine solche Bearbeitung an einem Werkstück, hier dargestellt an einer Kurbelwelle 2, durchzuführen.
Dabei handelt es sich um eine Werkzeugmaschine mit der Achsanordnung und Spindelanordnung wie bei einer Drehmaschine, also zum Beispiel mit einem Bett 11, auf dem ein Spindelstock 12 sitzt, der ein um die axiale Richtung, die Drehachse 10, drehend antreibbare und in seiner Drehlage steuerbare (C-Achse) Werkstück-Spindel 13 mit einem Spannfutter trägt sowie einen diesem Spindelstock 13 gegenüberliegenden analogen axial verschiebbaren Gegen-Spindeltock 14, zwischen denen das Werkstück 2 drehend antreibbar gespannt ist.
Bei dieser Ausführungsform sind unterhalb der Drehachse 10 nebeneinander zwei Werkzeugeinheiten 34 angeordnet mit einem jeweils in diesem Fall – was erfindungsgemäß keineswegs notwendig ist – gabelförmig gestalteten Werkzeug 5, welches von den Werkzeugeinheiten 34 nach oben ragt, in der Mitte zweigeteilt ist, und eine Lagerstelle 1 der in der Maschine eingespannten Kurbelwelle 2 so umgreifen kann, dass dabei der Abstand jeder einzelnen Elektrode zum Werkstück einstellbar ist.
In den dieser Lagerstelle 2 zugewandten Innenflächen des Werkzeuges 25 sind die Elektroden angeordnet, die mithilfe der Werkzeugeinheit 34 in allen drei Raumrichtungen verfahrbar sind, die für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung wie bei Drehmaschinen definiert sein sollen, also mit der Drehachse 10 als Z-Richtung und den beiden hierzu quer liegenden Richtungen als X- und Y-Richtung.
Das während der elektro-chemischen Bearbeitung über die Elektrode 25 zugeführte Elektrolyt 4 tropft vom Werkstück 2 ab und wird in einer Auffangwanne 25 aufgefangen, von dort abgezogen, in der Regel gereinigt und in einem Kreislauf dem Werkzeug 25 erneut zugeführt.
Bei dieser Maschine 30 sind ferner oberhalb der Drehachse 10 weitere Werkzeugeinheiten mit jeweils einem auf den Z-Führungen 15 laufenden Z-Schlitten 16 vorhanden, auf dem dann jeweils ein X-Schlitten in X-Richtung läuft, der ein stillstehendes oder angetriebenes Werkzeug für eine spanende Bearbeitung, sei es einen Scheibenfräser, eine Schleifscheibe und/oder einen Werkzeugrevolver z. B. mit Drehwerkzeugen, tragen kann.
Während des Betriebes ist die Maschine auf der Frontseite mittels einer Frontabdeckung 19 verschlossen.
Ebenso könnte die erfindungsgemäße Maschine jedoch ausschließlich die Werkzeugeinheiten 34 für das PECM tragen, und diese könnten dann natürlich auch oberhalb der Drehachse 10 angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Ziel, die Lagerstelle 1 einer zum Beispiel Kurbelwelle 2 im Betriebszustand mit geringerer Reibung bei kaum verringerter Traglast laufen zu lassen, und dadurch Treibstoff zu sparen, wird erfindungsgemäß durch eine Strukturierung der Oberfläche der Lagerstelle 1 erreicht, wie sie beispielsweise in den 3a und b am Beispiel einer Hub-Lagerstelle 1 einer Kurbelwelle 2 dargestellt ist:
Dabei sind entweder die gesamte Oberfläche der Lagerstelle 1 oder zum Beispiel nur die axialen Randbereiche der Lagerstelle 1 erfindungsgemäß strukturiert, also mit einer Vielzahl sehr kleiner Vertiefungen 27 versehen, wie in der vergrößerten Aufsicht der 3a dargestellt, da sich herausgestellt hat, dass bereits eine bereichsweise Strukturierung die Reibung erheblich senkt, der nicht strukturierte Bereich jedoch dazu beiträgt, die Traglast des Lagers nur geringfügig absinken zu lassen:
Diese Vertiefungen 27 sind in der Aufsicht betrachtet beispielsweise rund oder auch länglich, beispielsweise in Form einer kurzen Nut mit halbrunden Enden, gestaltet, wobei der Abstand 21 zwischen den Vertiefungen 27 etwa dem zehnfachen des bei runden Vertiefungen 27 Durchmessers d oder bei länglichen Vertiefungen 27 der kleinsten Erstreckung e entspricht.
Der Flächenanteil der Vertiefungen innerhalb der strukturierten Bereiches sollte dabei im Bereich von 1 % bis 30 % liegen.
Vorzugsweise sind die Vertiefungen 27 dabei in einem gleichmäßigen Raster, zum Beispiel einem rautenförmig Raster angeordnet, dessen eine Diagonale in Umfangsrichtung 28 liegt.
Bei länglichen Vertiefungen 27 sollte die Haupterstreckungsrichtung 20 primär in Umfangs-Richtung 28 der Lagerstelle 1, also der späteren Drehrichtung, liegen und hierzu einen Winkel von maximal 30° einnehmen.
Ferner hat es sich gezeigt, dass zur Erreichung dieses Zieles auch die Form und Größe der Vertiefungen 27 von großer Bedeutung ist, wie in den Schnittdarstellungen der 4a, b dargestellt:
Denn die Vertiefungen sollten eine Tiefe von maximal einigen wenigen µm besitzen, teilweise sogar unter einem µm tief sein, da dies die Tragfähigkeit am wenigsten minimiert, aber dennoch einen ausreichenden Depot-Effekt und damit eine Verminderung der Reibung nach sich zieht.
Im Vergleich zur Tiefe t der Vertiefungen 27 können die Vertiefungen 27 eine kleinste Erstreckung e, beispielsweise bei runden Vertiefungen 27 einen Durchmesser d, von 50 oder gar 150 µm besitzen, so dass die Vertiefungen 27 sehr großflächig und flach in Relation zu ihrer Tiefe t sind, was in den 4a, b aus Übersichtlichkeitsgründen nicht realistisch dargestellt ist, denn dort soll die Form der Flanken 18 der Vertiefungen 27 dargestellt werden:
Im Vertikal-Schnitt können – wie in 4a dargestellt – die Vertiefungen symmetrisch insbesondere rotationssymmetrisch, gestaltet sein, also die Flanken 18 den gleichen Schrägwinkel 9 zur Oberfläche der Lagerstelle 1 besitzen, der weniger als 60° betragen sollte.
Zusätzlich und/oder stattdessen sollte die Flanke 18 in die Oberfläche der Lagerstelle 1 mit einer Rundung 20 von mindestens einem Radius von zwei µm übergehen. Beide Maßnahmen tragen dazu bei, dass das im Betrieb der Kurbelwelle in der Vertiefungen 27 aufgenommene Schmiermittel mittels der Anhaftung an der Kontaktfläche des Lagerbockes gut in Umfangsrichtung 28 abtransportiert werden kann und damit in den Lagerspalt abseits der Vertiefungen 27 hinein transportiert werden kann.
Dafür ist es auch nicht unschädlich, die in der späteren Drehrichtung 35 der Kurbelwelle 2 liegende Flanke 18 steiler auszubilden, da die Mitnahme des Schmiermittels nur in der Gegenrichtung erfolgt. Dadurch wird ohne negativen Einfluss das Volumen der einzelnen Vertiefungen 27 erhöht und damit die Depot-Wirkung verbessert.
Aufgrund der genannten geringen Tiefe t der Vertiefungen 27 – die im übrigen auch ohne gezielt herbeigeführte Verbindungen untereinander ihre volle Wirkung entfalten – ist es einleuchtend, dass in den Flächenbereichen zwischen den Vertiefungen 27 die Rauheit der Oberfläche der Lagerstelle 1 in einem Bereich liegen muss, der geringer ist als die Tiefe t der Vertiefungen 27.
Abgesehen davon, dass diese Bereiche zwischen den Vertiefungen auch einen ausreichenden Tragteil von beispielsweise 60 % bis 70 % besitzen sollen, ist es deshalb sinnvoll – abhängig vom letzten Bearbeitungs-Schritt vor der PECM-Bearbeitung – auch die Bereiche zwischen den Vertiefungen 27 elektro-chemisch zu glätten, also insbesondere die Spitzen der mikroskopischen Oberflächenstruktur in diesen Bereichen abzutragen.
6 zeigt, wie dies auch in einem Arbeitsgang zusammen mit dem Einbringen der Vertiefungen 27 möglich sein kann:
Wie anhand der 2 dargelegt, findet ein Materialabtrag über die gesamte Wirkfläche 24 der Elektrode 25 statt, die Größe des Materialabtrages hängt jedoch auch von dem Abstand 3 zwischen der Wirkfläche 24 und dem Werkstück 2 ab:
Deshalb ist es möglich, die Erhebungen 26 auf der Elektrode 25 mit einer wesentlich größeren Höhe h auszuführen als die gewünschte Tiefe t der damit herzustellenden Vertiefungen 27, was dazu führt, dass der Abstand 3 zwischen der Elektrode 25 und dem Werkstück 2 zwischen den Erhebungen 26 wesentlich größer bleibt und der dort auftretenden Materialabtrag entsprechend geringer.
Durch die Bestimmung der Höhe h im Vergleich zur gewünschten Tiefe t, mithin die Steuerung des minimalen Abstandes 3 im Bereich zwischen den Erhebungen 26 zum Werkstück 2 hin, kann der Materialabtrag und damit der Glättungseffekt während des Einbringens der Vertiefungen 27 in den Bereichen dazwischen gesteuert werden, natürlich abhängig von weiteren Parametern wie Stromfluss, Material des Werkstückes 2 usw.
Die 5a, b zeigen, welche makroskopische Form die Elektrode 25, auch in diesem Fall regelmäßig besetzt mit Erhebungen 26 – in der Aufsicht dieser Figuren unten dargestellt – im Vergleich zu der zylindrischen Lagerstelle 1 besitzen kann:
In 5a ist die Elektrode 25 schalenförmig gestaltet mit einer konkaven Krümmung entsprechend der konvexen Krümmung der Lagerstelle 1, sodass beim Anlegen dieses Werkzeuges 25 an die Lagerstelle 1 der Abstand 3 dazwischen über die gesamte Wirkfläche 24 der gleiche ist. Die Wirkfläche 24 erstreckt sich dabei über einen Umfangswinkel von zum Beispiel knapp 90°, so dass außer den beiden in 5a diametral gegenüberliegenden Elektroden 25 auch drei oder vier über den Umfang verteilte und eventuell den Umfang der Lagerstelle 1 auch vollständig abdeckende Elektroden 25 gleichzeitig eingesetzt werden könnten, sofern diese jeweils und vorzugsweise unabhängig voneinander radial gegen die Lagerstelle 1 anlegbar sind.
Die 5b zeigt eine andere Gestaltung der Wirkfläche 24 der Elektrode 25:
Bei dem oben dargestellten Werkzeuge 25 ist die konkave Krümmung geringer als der Umfangsradius der Lagerstelle 1, sodass abseits einer Stelle des geringsten Abstandes 3 zwischen Werkzeug 25 und der Lagerstelle 1 dieser in einer Umfangsrichtung 28, nämlich entgegen der Bearbeitungsrichtung, zunimmt. Bearbeitet man nun in der dargestellten Stellung den entsprechenden Bereich der Lagerstelle 1 und bringt dort die Vertiefungen 27 ein, so wird gleichzeitig der Bereich mit größerem Abstand 3 durch einen dort auftretenden geringeren und zwar flächigen Materialabtrag – da sich dort die Erhebungen 26 der Elektrode 25 nicht mehr auf der Lagerstelle 1 abbilden – geglättet.
Dreht man danach abschnittweise die Lagerstelle 1 für die Bearbeitung des nächsten Abschnittes in Pfeilrichtung, der Bearbeitungsrichtung, weiter, so werden dann Vertiefungen 27 in Umfangsbereichen der Lagerstelle 1 eingearbeitet, die bereits im Bearbeitungsschritt vorher aufgrund des größeren Abstandes 3 geglättet wurden.
Der gleiche Effekt tritt bei der ebenen, tangential angelegten, Wirkfläche 24 des unten dargestellten Werkzeuges 25 auf, jedoch noch stärker, da hier der Abstand 3 abseits des Bereiches mit geringstem Abstand noch schneller zunimmt.
Bezugszeichenliste

1: Lagerstelle
2: Kurbelwelle, Werkstück
3: Abstand
4: Fluid, Elektrolyt
5: Auffangwanne
6: Umfangswinkel
7: Krümmungsradius
8: Rundung
9: Schrägwinkel
10: axiale Richtung, Drehachse
11: Bett
12: Spindelstock
13: Werkstück-Spindel
14: Gegen-Spindelstock
15: Z-Führung
16: Z-Schlitten,
17: X-Schlitten
18: Flanke
19: Frontabdeckung
20: Haupterstreckungs-Richtung
21: Abstand
22: Maske
23: Spalt
24: Wirkfläche
25: Werkzeug, Ätz-Werkzeug, Elektrode,
26: Erhebung
27: Vertiefung
28: Umfangsrichtung
29: Durchbruch
30: Maschine
31: Vibrator
32: Partikel
33: Bohrung
34: Werkzeug-Einheit
35: Drehrichtung
d: Durchmesser
e: kleinste Erstreckung
E: größte Erstreckung
t: Tiefe
h: Höhe

Claims

(Verfahren) 1. Verfahren zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Lagerstellen, insbesondere an einer Kurbelwelle (2), mittels elektro-chemischem Ätzen (ECM), dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2) abwechselnd mittels Vibration größer und kleiner wird, insbesondere mittels Vibration des Werkzeuges (25) (PECM), und/oder die Spannungs-Beaufschlagung oder Strombeaufschlagung des Werkzeuges (25) pulsiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vibration mit einer Frequenz von 1–100, besser 5–70, besser 10–50 Hz durchgeführt wird und/oder – die Pulse mit einer Pulsdauer von 0,3 bis 10 ms, besser von 2–4 ms durchgeführt wird und – entweder mit Pausen zwischen den einzelnen Pulsen, die so kurz wie möglich sind, jedoch mindestens der Pulsdauer entsprechen – oder mit einem elektrischen Puls immer zum Zeitpunkt der größten Annäherung zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2), wenn gleichzeitig eine Vibration stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einbringen von Vertiefungen (27) in die Oberfläche der Lagerstelle (1) während der Bearbeitung das Werkzeug (25) in Umfangsrichtung der Lagerstelle (1) stillsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einbringen von Vertiefungen (27) die Anzahl der Pulse gezählt wird, mit denen das Werkstück (2) in dieser Stellung des Werkzeuges (25) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur flächigen Bearbeitung der Oberfläche des Werkstückes (2) das Werkzeug (25) – einen ausreichenden Abstand (3) von der Oberfläche des Werkstückes (2) einnimmt, so dass eine eventuell vorhandene Strukturierung des Werkzeuges (25) nicht mehr auf dem Werkstück (2) abgebildet wird, oder – das Werkzeug insbesondere in Umfangsrichtung, gegebenenfalls auch axial, relativ zum Werkstück (2) bewegt wird, insbesondere mit einem Vorschub von 0,05–2 mm/min, besser mit einem Vorschub von 0,1–1 mm/min.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern der Abbildungs-Schärfe der Oberflächenstruktur des Werkzeuges (25) auf dem Werkstück (2) – entweder der Abstand (3) zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2) verändert wird, insbesondere bei einem vibrierenden Abstand (3) der geringste Abstand während der Vibration verändert wird oder – die Stromstärke in Abhängigkeit der gewünschten Abbildungs-Schärfe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dem Elektro-chemischen Ätzen bei der flächigen Bearbeitung ein Materialabtrag von maximal 30 µm, besser nur 20 µm, besser nur 10 µm, insbesondere aber von mindestens 0,5 µm, besser von mindestens 2 µm, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bearbeiten das Werkzeug (25) in einem Abstand (3) zur Oberfläche der Lagerstelle (1) von 5 µm bis 400 µm, besser in einem Abstand (3) von 10 µm bis 100 µm, gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Bearbeitung der gesamten Oberfläche und ein Einbringen von Vertiefungen (27) durchgeführt wird, insbesondere in einem Arbeitsgang, insbesondere indem die Wirkfläche des Werkzeuges (25) tangential zu der konvex gekrümmten Oberfläche des Werkstückes (2) oder konkav gekrümmt, jedoch mit einem größeren Krümmungsradius als die konvex gekrümmte Oberfläche der Lagerstelle (1) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Werkzeug (25) angelegte Spannung zwischen 10 V und 50 V beträgt, insbesondere zwischen 20 und 30 V, und/oder als Elektrolyt Natriumchlorat oder Natriumnitrat verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Vertiefungen (27) in der Oberfläche der Lagerstelle (1) – entweder ein Werkzeug (25) mit Erhebungen (26) verwendet wird, und das für die Stromführung benötigte Fluid (4) insbesondere über das Zentrum der Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) während der Bearbeitung in den Spalt (23) zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2) zugeführt wird – oder ein Werkzeug (25) mit ebener Wirkfläche verwendet wird und eine Maske (22) aus nicht elektrisch leitendem Material mit Durchbrüchen zwischen Werkstück (2) und Werkzeug (25) gehalten wird, und das benötigte Fluid (4) insbesondere zwischen der Maske (22) und der Oberfläche der Lagerstelle (1) entlang der Oberfläche zu- und abgeführt wird. (Prozesskette)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mittels elektro-chemischem Ätzen unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung durchgeführt wird und danach insbesondere kein weiterer Materialabtrag mehr erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung vor dem elektro-chemischem Ätzen, insbesondere die spanende Bearbeitung mit bestimmter Schneide, maximal auf eine Genauigkeit von 10 µm genau, besser von 5 µm genau, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ECM-Behandlung die Oberfläche der Lagerstelle (1) zumindest bereichsweise gehärtet wird oder mit einer elektrisch leitfähigen Hart-Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Bearbeitung der Oberfläche der Lagerstelle (1) auch im Inneren des Werkstückes (2) ein Entgraten durch elektro-chemisches Ätzen durchgeführt wird, insbesondere an den Kreuzungen von Bohrungen (21).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung so erfolgt, dass Im Bereich zwischen den Vertiefungen (27) die Oberfläche eine Rauheit von Rz von von 1 bis 4 µm aufweist und/oder einen Traganteil von mindestens 50 %, jedoch höchstens 85 %. (Produkt = Lagerstelle)
Rotationssymmetrische Lagerstelle (1), insbesondere an einer Kurbelwelle (2), mit einer mittels elektrochemischem Ätzen strukturierten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche der Lagerstelle (1) wenigstens bereichsweise eine Vielzahl von Vertiefungen (27) angeordnet sind, die – eine Tiefe (t‘) von maximal 10 µm, insbesondere maximal 5 µm, insbesondere maximal 1 µm besitzen und – in der Aufsicht betrachtet eine kleinere Erstreckung (€‘) von maximal 150 µm, besser maximal 100 µm, besser maximal 50 µm.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (27) nicht miteinander in Verbindung stehen.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (27) eine Tiefe (t) von 0,5–4 µm, insbesondere von 1 bis 2 µm, besitzen.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (21) der Vertiefungen (27) maximal 250 µm, besser nur maximal 170 µm, besser nur maximal 100 µm beträgt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Vertiefungen (27) besetzte Flächenanteil – bei bereichsweiser Strukturierung nur gerechnet auf den strukturierten Bereich – 1 % bis 30 %, insbesondere 10 % bis 20 %, beträgt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Tiefe (t) zum größten oberflächlichen Durchmesser (d) der Vertiefungen zwischen 0,005 und 0,02, insbesondere zwischen 0,008 und 0,012, beträgt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen den Vertiefungen (27) die Oberfläche eine Rauheit von Rz von 1 bis 4 µm aufweist.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (27) am Übergang zwischen den Flanken (18) zur Oberfläche der Lagerstelle (1) eine Rundung (20) mit einem Radius von mindestens 2 µm und/oder einem Schrägwinkel (9) von weniger als 60° zur Oberfläche aufweisen.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufsicht betrachtet die größte Erstreckung (E) der Vertiefung (27) maximal um den Faktor 20, besser nur um den Faktor zehn, besser nur um den Faktor fünf so groß ist wie die kleinste Erstreckung (E).
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (27) in der Aufsicht einen kreisrunde Form besitzen oder eine längliche Form, deren Haupterstreckungs-Richtung (20) in einem Winkel von 0–30° besser von 0° bis 15°, zur Umfangsrichtung (28) liegt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) Erhebungen (26) entsprechend der Form, Größe und Verteilung der gewünschten Vertiefungen (27) angeordnet sind oder die Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) von einer Maske (22), insbesondere einem Band, aus elektrisch nicht leitfähigem Material abgedeckt ist, in dem Durchbrüche (29) angeordnet sind, durch welche hindurch der Stromfluss zum Werkzeug (25) stattfindet, und insbesondere die Dicke der Maske (22) maximal 100 µm, besser maximal 60 µm, beträgt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Lagerstelle (1) in axialer Richtung (10) nur in Teilbereichen, insbesondere an den Rändern, mittels der Vertiefungen (27) strukturiert ist und/oder in Umfangsrichtung (28), insbesondere bei Hub-Lagerstellen, nur in denjenigen Umfangsbereichen, in denen die Hauptbelastung im Betrieb des Verbrennungsmotors auftritt.
Rotationssymmetrische Lagerstelle nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in Umfangsrichtung (28) der Vertiefungen (27) liegenden Schnitt die entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle gerichtete Flanke (18) der Vertiefung (27) weniger steil verläuft als die gegenüberliegende Flanke (18). (Maschine)
Maschine (30) zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Lagerstellen (1), insbesondere an einer Kurbelwelle (2), mittels elektrochemischem Ätzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (30) eine Werkzeugmaschine mit Achsanordnung und Werkstück-Spindel-Anordnung wie bei einer Drehmaschine ist, eine gesteuerte C-Achse besitzt und insbesondere das Werkzeug (25) in einer Werkzeugeinheit (34) angeordnet ist, die in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist.
Maschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugeinheit (34) zwei oder mehr über den Umfang der Lagerstelle (1) verteilte Ätz-Werkzeuge (25) umfasst, die synchron oder unabhängig voneinander radial verstellbar sind.
Maschine nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) tangential zu der konvex gekrümmten Oberfläche des Werkstückes (2) oder konkav gekrümmt, jedoch mit einem insbesondere um den Faktor 1,1–2,0 größeren Krümmungsradius (7) als die konvex gekrümmte Oberfläche der Lagerstelle (1) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 30–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (26) auf der Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) eine mindestens um den Faktor zwei, besser um den Faktor drei, größere Höhe (h) besitzen als die Tiefe (t) der damit herzustellenden Vertiefungen (27).
Maschine nach einem der Ansprüche 30–33, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) über einen Umfangswinkel (6) von mindestens 10°, besser 20°, besser 30° und/oder jedoch höchstens 90°, besser höchstens 70°, der Lagerstelle (1) erstreckt.