DE102012207455A1

DE102012207455A1 - Werkzeug und Verfahren zum mechanischen Aufrauen

Info

Publication number: DE102012207455A1
Application number: DE102012207455A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Flores; Erwin BAUMGARTNER; Michael Rach
Original assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2032-05-05
Also published as: DE102012207455C5; CN102806465B; CN102806465A; DE102012207455B4; KR20120134053A; KR101482302B1; US20120317790A1; US8959749B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die in einem Arbeitsgang eine Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine so vorbereitet, dass die Zylinderbohrung anschließend thermisch beschichtet werden kann.

Description

Stand der Technik
Zur Herstellung von tribologisch geeigneten Oberflächen in Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren dient die Prozesskette Aufrauen, thermisches Beschichten und Honen. Das Aufrauen dient dazu, auf der Substratoberfläche eine geeignete Topografie herzustellen, die eine feste Verbindung zwischen der thermischen Spritzschicht und dem Substrat ermöglicht. Die Ausbildung der Profilform und der Profiltiefe hat einen wesentlichen Einfluss auf die Haftzugfestigkeit der Schicht. Die Schichthaftung selber ist bestimmt durch die Adhäsion der beiden Werkstoffe zueinander, den lateralen Schrumpfspannungen, die sich zwischen den Formelementen des Aufrauprofils und der eingelagerten Schicht ergeben und dem radialen Formschluss, welcher aufgrund von Hinterschnitten der erhabenen Aufrauprofilelemente entsteht.
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zum mechanischen Aufrauen einer Substrat-Oberfläche, so dass auf der erfindungsgemäß vorbereiteten Substrat-Oberfläche eine sehr gut haftende Beschichtung aufgebracht werden kann. Neben anderen Verfahren, wie Sandstrahlen, Laserstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen, sind Verfahren der mechanischen Bearbeitung bekannt, bei denen Spanen und Umformen miteinander prozesstechnisch verbunden werden. Diese letztere Gruppe wiederum kennt Prozesse, bei denen Spanen und Drücken angewendet werden. Dabei besteht zwischen dem Druckwerkzeug und dem Material ein Gleitvorgang. Eine weitere Kombination aus Spanen und Umformen besteht im Spanen mit nachfolgendem Walzen. Hierbei wird das zunächst durch Feinbohren, Drehen oder Fräsen hergestellte Oberflächenprofil durch Walzen umgeformt. Dabei rollt eine Walze über die Substrat-Oberfläche und bewirkt durch deren Umformung eine Verbesserung der Hafteigenschaften.
Da sich die Erfindung mit der zuletzt genannten Kombination von Spanen und Walzen (oder Rollieren) beschäftigt, wird nachfolgend folgender Stand der Technik gewürdigt.
Die EP 2 267 178 A2 beschreibt ein Aufrauverfahren in der Kombination von Spanen und Walzen. Die Walzoperation ist so ausgelegt, dass bei dem Kombinationswerkzeug der Abstand der Walze zur Formschneide abhängig ist von der Periodizität des im ersten Verfahrensschritt eingeschnittenen Formprofils (Steg, Breite und Vorschub). Die Walze überdeckt jeweils einen Profilsteg.
Die axiale Anordnung von Zerspanwerkzeug und Walze ist abhängig von der Formschneide und deren kinematischen Bedingungen wie Vorschub, Stegbreite, Profiltiefe. Dies erfordert eine genaue Justierung der Arbeitsflächen zur Schneide und der Walze zueinander. Da die Walze immer nur eine Stegbreite bearbeitet, ist hier mit einer geringen Standmenge der Walze zu rechnen. Außerdem ist die Walze in radialer Richtung nicht relativ zur Schneide nachstellbar, so dass bei unterschiedlichen Verschleißraten keine neue Justierung mehr möglich ist und somit der Grad der Umformung reduziert wird und geringere Hinterschnitte entstehen.
Die DE 10 2006 004 769 A1 geht von einem Aufrauverfahren aus, bei welchem die Substrat-Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt spanend bearbeitet und in einem nachfolgenden Schritt die zuvor spanend hergestellten Profilspitzen „umgebogen” werden. Dies kann durch Walzen, Pressen oder Bestrahlen erfolgen. Die Substrat-Oberfläche, das heißt die spätere Kontaktfläche zur Beschichtung, besteht also in einer Profilform mit Hinterschnitten. Die Walze ist nicht orthogonal zum gespanten Profil geneigt, so dass Schlupf zwischen Walze und gespantem Profil entsteht.
Die Offenlegung DE 10 2008 024 313 A1 kennt ebenfalls eine Walzbearbeitung nach dem Schneiden. Die Walze ist jedoch ausgebildet mit zahlreichen Messerscheiben, deren Schneidkanten im Abstand der Profilstege angeordnet sind. Diese Auslegung hat den großen Nachteil, dass zunächst mal das Werkzeug genau auf die Profilspitzenposition der vorgearbeiteten Profilform in der Axialposition ausgerichtet werden muss, um dann durch radiales Zustellen an diesen erhabenen Profilstegen das Profil zu spalten. Darüber hinaus ist es notwendig den Abstand der Messerscheiben genau auf den Vorschub bzw. auf den Abstand der erhabenen Stege einzurichten. Auch hier ist das Walzwerkzeug profilorientiert in der axialen Lage und in der Auslegung bestimmt, was eine schwierige Handhabung beim Einrichten des Prozesses und auch eine aufwändige Herstellung bei der Beabstandung der Messerscheiben beinhaltet.
In der DE 20 2009 014 180 U1 wird ebenfalls ein Zerspanungsprozess mit einem Walzprozess zur Umformung der Profilstege kombiniert. Bei diesem Verfahren muss die Walze mit einer Profilierung versehen werden, welche sich am Vorschub bzw. dem Abstand der Profilstege orientiert. Diese Werkzeuge haben einen großen Verschleiß auf der Walzenseite, sodass ein wirtschaftlicher Betrieb nicht möglich ist. Auch die axiale Beabstandung von den Konturen der Walze zur Formschneide erfordert einen hohen Aufwand beim Einrichten des Werkzeuges.
Bei allen in den oben genannten Verfahren werden aufwändig herzustellende und einzustellende Werkzeuge benötigt, die verhältnismäßig rasch verschleißen und teilweise nicht nachstellbar sind und daher eine wirtschaftliche und prozesssichere Großserien-Fertigung erschweren oder nicht zulassen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanisches Aufrauen bereitzustellen, welche unabhängig vom anschließenden Beschichtungsverfahren einsetzbar ist. Dabei soll die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl auf einer Honmaschine als auch auf einem Bearbeitungszentrum einsetzbar sein. Je nach Werkstoff und Profilgeometrien sollen eine Minimalmengenschmierung oder eine Vollschmierung möglich sein.
Entsprechend der Aufgabenstellung sieht die Erfindung ein Kombinationswerkzeug vor, welches die Bearbeitungsschritte

• Feinbohren (erstes Werkzeug),
• Formschneiden (zweites Werkzeug), das heißt das Herstellen einer profilierten Oberfläche, und
• Walzen (drittes Werkzeug)

Mit dieser Konzeption ist sichergestellt, dass alle Prozesse die gleiche Kinematik und Achslage aufweisen und daher umlaufend am Umfang eine konstante Profiltiefe beim Profilschneiden erreicht wird, da sich Feinbohrschneiden und Profilschneiden auf der gleichen Rotationsachse im gleichen Werkzeug befinden. Das Werkzeug ist einsetzbar auf einer Honmaschine mit einer Doppelzustelleinrichtung oder auf einem Bearbeitungszentrum mit vergleichbaren Zustellmöglichkeiten.
Das erfindungsgemäße Kombinations-Werkzeug ist mit der Maschinenspindel starr verbunden und beginnt die Bearbeitung vom oberen Bohrungsrand mit den vorauslaufenden Feinbohrschneiden des ersten Werkzeugs.
Die mindestens eine Feinbohrschneide gibt der Bohrung die Lagegenauigkeit hinsichtlich Rechtwinkligkeit und Position. Die Feinbohrschneiden sind fest im Werkzeug eingebaut, eingelötet oder eingeklebt und auf den Bearbeitungsdurchmesser geschliffen oder sie befinden sich angeschraubt oder eingeklemmt auf einem Biegehalter oder auf einem festen Einbauhalter und können durch Justierschrauben in die erforderliche Axialposition und auf den gewünschten Arbeitsdurchmesser eingestellt werden.
Die in Vorschubrichtung dahinter angeordnete Schneidplatte (Formschneide) des zweiten Werkzeugs vergrößert den Durchmesser der Bohrung um eine Minimalzugabe von ca. 50 μm, so dass die vom ersten Werkzeug geschaffene Oberfläche vollständig koaxial abgetragen wird.
Die Schneidplatte des zweiten Werkzeugs besteht bevorzugt aus mehreren Partialschneiden, die hinsichtlich der Querschnittsfläche und damit der wirksamen Spanungsquerschnitt sukzessiv zunehmen. Damit wird das Zerspanvolumen des zweiten Werkzeugs auf mehrere Partialschneiden aufgeteilt, was zu einer Erhöhung der Standmenge führt.
Die Änderung des Zerspanungsquerschnitts der Partialschneiden kann sowohl mit zunehmender Tiefe (d. h. in radialer Richtung) als auch mit zunehmender Breite (d. h. in axialer Richtung oder Vorschubrichtung) erfolgen.
Mit Hilfe der Formschneide des zweiten Werkzeugs können vorteilhafter Weise rechteckförmige Nuten/Profile üblich, es können jedoch auch Spitz-, Rund-, Rauten- oder Trapezprofile mit der Formschneide hergestellt werden. Die Formschneide ist eine einteilige Schneidplatte, die entsprechend der jeweiligen Profilform gesintert und/oder geschliffen oder erodiert wird.
Das Profil enthält formgeschnittene Mikrostrukturen wie Rechteck-, Trapez- oder Dreiecksprofile, an deren Flanken durch Umformung der Profilstege zusätzlich Sub-Mikroprofile, wie seitliche hinterschnittartige Materialüberhänge mit kleinsten Rissen und Verschuppungen zu einer Erhöhung der Haftfestigkeit beitragen. Der Umformvorgang ist schlupffrei auszulegen, so dass keine Zerspanung, sondern nur ein Abdruck des Walzenprofils den Stofffluss im Umformschritt bewirkt. Mit wirtschaftlichen Standmengen soll das Verfahren in der Serienfertigung bei der Herstellung von thermisch beschichteten Zylinderbohrungen einsetzbar sein.
Die Formschneide des zweiten Werkzeugs ist auf einem Biegehalter gelagert und wird über ein erstes Zustellsystem 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beispiel elektromechanisch auf Maß eingestellt. Dadurch ist eine Nachstellung vor, während oder nach der Bearbeitung möglich, um den Verschleiß der Schneidplatte zu kompensieren, maßhaltig zu arbeiten und die Standmenge zu erhöhen.
Entgegen der Vorschubrichtung ist axial im geringst möglichen Abstand das dritte Werkzeug mit einer drehbar gelagert (Umform-)Walze angeordnet. Die Walze ist axial und radial gelagert, sodass die Walze ausschließlich durch Rollreibung beaufschlagt wird. Die axiale Lagerung ist für die Hubrichtung in Bearbeitungsfunktion ausgelegt.
Bevorzugt ist die Walze beziehungsweise das dritte Werkzeug in radialer Richtung zustellbar. Diese Zustellung kann positions- und/oder kraftgesteuert sein. Bei einer kraftgesteuerten Zustellung legt sich die Walze an das zuvor von dem ersten Werkzeug geschnittenen Formprofil an und formt diese bevorzugt so um, dass sich Hinterschnitte ergeben. Aufgrund der definierten Zustellkraft lässt sich die gewünschte Umformung zuverlässig und prozesssicher erreichen.
Neben einer aktiv gesteuerten Zustellkraft, die durch eine Zustelleinrichtung der Maschine erzeugt wird, kann auch eine passive Zustellkraft in Form der Zentrifugalkraft wirken.
Diese Zustellung erfolgt durch eine zweite Zustellstange der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die wiederum von einem zweiten Zustellsystem der Hon-Maschine oder des Bearbeitungszentrums betätigt wird.
Um ein reines Abrollen der Funktion der Walze, ohne Schlupf oder Gleiten zwischen Werkstück und Walze, zu gewährleisten, ist die Walze entsprechend der sich aus dem Vorschub der Vorrichtung bei der Bearbeitung einer Bohrung ergebenden Steigung geneigt. Dadurch wird die Standmenge der Walze deutlich erhöht und die Prozesssicherheit der Oberflächenstrukturierung verbessert.
Die Mantelfläche der Walze ist bestückt mit einer gebundenen Hartstoffkörnung, wie zum Beispiel einer Diamantkörnung, welche hinsichtlich der Kornstruktur so ausgelegt ist, dass die Kornspitzen in die vom ersten Werkzeug geschaffenen erhabenen Profilstege Vertiefungen eingedrückt werden, welche eine seitliche Verdrängung des Materials bewirken und damit aufgrund des Materialüberhanges hinterschnittartige Profile bilden.
Die Körnung ist in Abhängigkeit der Stegbreite auszulegen. Sie sollte z. B. ein Drittel (1/3) der Breite der erhabenen Profilstege betragen.
Die Walze ist so lang, dass sie immer mehrere Profilstege bestimmter Stegbreiten überdeckt und welche somit gleichzeitig umgeformt werden.
Eine genaue Positionierung der Walze in axialer Richtung relativ zu dem zweiten Werkzeug ist somit nicht notwendig.
Die diamantierte Länge der Umformwalze ist möglichst groß auszulegen, um lokal beim axialen Überfahren eine möglichst große Kontaktzeit zu erreichen.
Weil die erfindungsgemäße Vorrichtung drei Werkzeuge (Feinbohrschneide, Formschneide und Walze) umfasst, arbeiten diese Werkzeuge mit dem gleichen Vorschub.
Deshalb und weil bevorzugt die Drehachse der Walze entsprechend dem Vorschub der Vorrichtung geneigt ist, steht die Drehachse der Walze orthogonal der Längsrichtung de von dem ersten Werkzeug geschaffenen Profilstegs.
Damit wird ein dem Abrollen der Walze auf dem Profilsteg überlagertes Gleiten vermieden, es entstehen ausschließlich Abdrücke der Diamantkornspitzen in den erhabenen Profilstegen und keine Riefen. Ist neben den Eindrücken der Diamantkristalle (Umformen) eine spanende Wirkung erwünscht, so kann dies durch eine gezielt nicht orthogonale Achslage der Walze bezogen auf die Längsachse der umzuformenden Stege erreicht werden.
Aufgrund dieser Korneindrücke erfolgt ein Materialfluss, sodass die erhabenen Profilstege umgeformt werden und sich seitlich Grate und Materialüberhänge ausbilden. Die Walze kann durch das Zustellsystem mit einer vorgegebenen Anpresskraft radial gegen die Bohrungswand zur Umformung der Profilstege zugestellt werden.
Eine andere Variante besteht in der konischen Ausbildung von Walzen, die mit zunehmender axialer Überfahrung der Bearbeitungsstelle einen zunehmenden Druck aufbauen und damit eine zunehmende Verformung der Stege bewirken.
Dabei kann bei beiden Alternativen der zuvor geschnittene Profilsteg in seiner Höhe um 10% bis 50% reduziert werden. Die nach dem Umformen verbleibende Profiltiefe beträgt ca. 100 μm.
Es ist zu erwähnen, dass die Diamantkristalle in einer galvanisch aufgetragenen Nickelmatrix oder in einer gesinterten Bindefase gehalten werden. Die einzelnen Diamantkristalle sind monokristalline Kristalle in bestimmter variierbarer Anordnungsdichte, welche in bestimmter Konzentration an der Oberfläche der Walze angeordnet sind. Die Kristalle sollen vorzugsweise nicht splitterfreudig, sondern solide und blockig, jedoch mit geringen Keilwinkeln beschaffen sein.
Es bleibt zu erwähnen, dass die Feinbohrschneiden, Formschneide und die Walze nach dem Durchfahren der gesamten Bohrungslänge im Abwärtshub die vollständig über die untere Bohrungskante hinausfahren. Da sich dort in geringen Abständen Störkanten der Lagerstühle für die Kurbelwellenlagerung befinden, sind Feinbohrschneiden, Formschneide und Walze mit dem geometrisch minimalem Abstand in Längsrichtung konstruktiv angeordnet.
Beim Ausfahren vom unteren Umkehrpunkt in die obere Endlage des Werkzeuges oberhalb der Bohrung werden Formschneide und Walze radial zurückgestellt, so dass ein kollisionsfreies Durchfahren der fertig aufgerauten Bohrungsfläche erfolgt.
Weil das zweite Werkzeug den Durchmesser der bearbeiteten Bohrung gegenüber dem von dem ersten Werkzeug erreichten Bohrungsdurchmesser etwas vergrößert, muss das erste Werkzeug beim Ausfahren der Vorrichtung aus der Bohrung nicht radial zurückgestellt werden.
Die Austrittsöffnungen für Kühlschmierstoff sind beim Feinbohren, Formschneiden und Walzen jeweils auf den Ort der Bearbeitung gerichtet, z. B. auf die Schneidenspitzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Trockenbearbeitung, ggf. mit Kaltluft- oder Trockeneisspülung oder anderen kryogenen Medien, als Bearbeitung mit Minimalmengen- oder Vollschmierung betrieben werden. Dabei soll das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine weitgehend ohne Waschen und Trocknen der thermischen Beschichtung zugeführt werden können.
Eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass zum oberen Einspannende das Werkzeuges hin noch eine Anfasschneide eingebracht ist, die mit Erreichen des unteren Umkehrpunktes nur eine Rotation zur Bearbeitung der oberen Bohrungskante zum Anarbeiteten einer definierten Kolbenfügefase ausführt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich leistungsfähige Aufrauprofile für hohe Haftzugfestigkeiten unabhängig vom anschließenden Beschichtungsverfahren herstellen. Da sowohl Aufbohren, Formschneiden und Walzen in einem Abwärtshub des Werkzeuges örtlich nacheinander durchgeführt werden, lassen sich minimale Bearbeitungszeiten von unter 30 s bei Bohrungen von PKW-Kurbelgehäusen erreichen. Die axiale Anordnung von Feinbohrschneide, Formschneide und Walze ist mit minimalen Abständen ausgeführt, sodass auch geringen Überläufen, Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen bearbeitbar sind.
Durch die Diamantierung der Walze entfällt ein exaktes Justieren in axialer Richtung des Umformwerkzeuges in Abhängigkeit vom zuvor geschnittenen Formprofil. Damit wird der Prozess robust und leicht zu handhaben.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Zeichnung und deren Beschreibung entnehmbar.
Es zeigen:
1: ein Profilsteg vor und nach der Umformung durch eine Walze
1.1: ein bemaßter beispielhafter Querschnitt einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgerauten Oberfläche,
1.2: ein weiterer bemaßter beispielhafter Querschnitt einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgerauten Oberfläche,
2: ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeug mit Feinbohrschneide
3: Werkzeug mit Formschneide und Walze
3.1: Formschneide
3.2: Anordnung der Walze
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt zunächst beispielhaft einen Profilsteg 1 vor dem Umformen und einen Profilsteg 3 nach dem Umformen durch die erfindungsgemäße Walze. (nicht dargestellt). Der Profilsteg 1 wird durch eine entsprechend profilierte Schneidplatte des ersten Werkzeugs hergestellt.
In diesem Beispiel haben die Profilstege einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.
Der Profilsteg 3 entsteht aus dem Profilsteg 1 durch Walzen mit dem zweiten Werkzeug. Die erhabene Fläche des Profilstegs 3 wurde durch den Umformprozess gegenüber der ursprünglichen Profiltiefe deutlich zurückgesetzt. In der Praxis hat sich ein Zurücksetzen von bis zu 50% von der Höhe des Profilstegs 1 bewährt.
Weil die Walze des zweiten Werkzeugs bevorzugt mit Diamantkörnern versehen ist, weist die erhabene Fläche des Profilstegs 3 kraterförmige Vertiefungen/Eindrücke auf, die beim Abrollen der Walze von den Diamantkornspitzen geformt wurden.
Durch das erwähnte Zurücksetzen des Profilstegs und die Diamantkornspitzen, werden die Kanten des Profilstegs 3 stark verformt, sodass Materialüberhänge und Mikrorisse und somit hinterschnittartige formschlussfähige Konturen entstehen.
1.1 zeigt die Durchmesserrelationen ausgehend vom Vorbohren für alle Prozessschritte. Ebenso ist ein Ausführungsbeispiel angefügt.
Aus der 1 wird deutlich, dass die feststehende Schneide des ersten Werkzeugs, das für das Vorbohren auf den Durchmesser D0 eingestellt ist, beim Ausfahren aus der Bohrung keinen Schaden nimmt, weil der Bohrungsdurchmesser im gezeigten Beispiel nach dem Walzen um 0,2 mm größer ist als der Durchmesser D0.
Auch die Aufteilung des zur Herstellung der Profilstege 1 erforderlichen Zerspanvolumens auf insgesamt drei Partialschneiden der Schneidplatte des ersten Werkzeugs ist gut zu erkennen.
In der 1.2 ist ein Querschnitt durch ein mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug hergestelltes Rauheitsprofil dargestellt.

Die Geometrie des Rauheitsprofils ist durch folgende Größen charakterisiert:

Profiltiefe Pt:	50–200 μm
Profilweite Pw:	50–400 μm
Größe der Hinterschnitte GHs:	≤ 0,5 × Pw (25–200 μm)
Mikrorauheit Mrh:	≤ 0,5 × Pt (25–100 μm)
Profilabstand Pa:	≥ 2 × GHs

Aus dem Zusammenspiel der genannten Parameter ergibt sich eine hohe Haftzugfestigkeit und eine hohe Schubfestigkeit in axialer und tangentialer Richtung zwischen Substrat und Beschichtung.
Insbesondere die mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug durch Umformen (Rollen) hergestellten Hinterschnitte in Verbindung mit einer großen Mikrorauhigkeit auf den erhabenen Flächen der Stegen ermöglichen die gewünschten Eigenschaften.
Die genannten Prozessparameter können durch das erfindungsgemäße Werkzeug eingestellt werden.
Die Mikrorautiefe wird wesentlich von der Größe und Form der Diamantkörner auf der Walze des Werkzeugs beeinflusst.
Die Größe der Hinterschnitte GHs hängt stark von der Zustellkraft mit der die auf der Walze befindlichen Diamantkörner in das Substrat gedrückt werden und dadurch die Stege verformen.
Des Weiteren hängt das Ergebnis des Aufrauens noch von der Vorschubgeschwindigkeit, sowie Art des Schmiermittels sowie Volumenstrom und Druck des Schmiermittels ab.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 im Längsschnitt. Dabei ist die Schnittebene so gelegt, dass das dritte Werkzeug 7, welches zum Feinbohren dient, sichtbar ist.
Das erste Werkzeug 7 ist mit einem Grundkörper 9 verschraubt. Das erste Werkzeug 7 umfasst eine Feinbohrschneidplatte 11, die auf einem Träger 13 befestigt ist. Der Träger 13 ist gelenkig oder elastisch mit dem einen Grundkörper 9 verbunden.
Durch eine erste Stellschraube 15 kann die Feinbohrschneidplatte 11 radial eingestellt werden, um den Durchmesser D0 exakt einzustellen.
Durch eine zweite Stellschraube 17 kann die Feinbohrschneidplatte 11 in axialer Richtung eingestellt werden.
In 2 ist ein Kanal 19 sichtbar, durch den Kühlschmiermittel zugeführt werden kann.
In dem Grundkörper 9 sind bevorzugt mehrer Feinbohrschneidplatten 11 über den Umfang verteilt angeordnet, welche vor Einsatz des Werkzeugs 5 auf den gewünschten Bearbeitungsdurchmesser eingestellt werden. Durch den Einsatz mehrerer Feinbohrschneidplatten 11 wird die Standmenge deutlich erhöht.
Alle Feinbohrschneidplatten 11 befinden sich in Trägern 13, die sowohl in radialer als auch in axialer Richtung justierbar sind.
3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 in einem gegenüber der 2 um 90 Grad versetzten Längsschnitt.
In dieser Darstellung sind das zweite Werkzeug 21 zum Herstellen des Profilstegs 1 (siehe 1) und das dritte Werkzeug 23 zum Umformen des Profilstegs 1 gut sichtbar.
In dem Grundkörper 9 sind eine erste Zustellstange 25 und eine zweite Zustellstange 27 axial verschiebbar geführt.
Die Zustellstangen 25, 27 ermöglichen die unabhängige radiale Zustellbewegung des zweiten Werkzeugs 21 und des dritten Werkzeugs 23.
Wenn die Zustellungstange 25 in axialer Richtung des Grundkörpers 9 in Richtung des zweiten Werkzeugs 21 bewegt wird, dann verschiebt ein rohrförmiger Konus 31 einen radial angeordneten Zustellstift 33 in radialer Richtung. Der Zustellstift 33 wiederum drückt einen Biegehalter 35 mit der Formschneidplatte 37 radial nach außen. Dadurch erfolgt eine Zustellung des zweiten Werkzeugs 21.
Der Biegehalter 35 ist wiederum durch eine Axialjustierung in seiner Position einstellbar.
Die zweite Zustellstange 27 bewirkt die Zustellung des dritten Werkzeugs 23, das den von dem zweiten Werkzeug 21 zuvor geschaffenen Profilsteg 1 mit einer Walze 39 umformt.
Zu diesem Zweck wird die zweite Zustellstange 27 ebenfalls zum zweiten Werkzeug 23 hin bewegt und betätigt damit eine radiale Zustellung der Walze 39 gegen die zu bearbeitende Bohrungswand. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die radiale Zustellung der Walze 39 formschlüssig erfolgt, so dass die Zustellkraft unabhängig von der auf die Walze 39 wirkenden Fliehkraft gesteuert werden kann.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem zweiten Werkzeug 21 und dem dritten Werkzeug 23 mit seiner diamantbestückten Walze 39 ein Spanumlenker (nicht sichtbar in 3) bevorzugt an dem Grundkörper 9 angebracht ist. Damit wird verhindert, dass die von dem zweiten Werkzeug 21 produzierten Späne zwischen Walze 39 und die Stege 1, 3 des Substrats gelangen. Dadurch könnte die Walze 39 beschädigt werden und/oder es findet eine unkontrollierte und nicht vorhersehbare starke Verformung des Stegs 1, 3 statt. Beides ist unerwünscht.
Die Walze 39 ist in einem Zustellrahmen 41 axial und radial gelagert. Dabei ist wird die Neigung der Walze 39 so justiert, dass sie bevorzugt orthogonal zur Längsrichtung des Profilstegs 1 ist. Dadurch rollt die Walze 39 ohne Gleitbewegung über den Profilsteg 1 und bewirkt die gewünschte Umformung. Dadurch wird die Standzeit der Walze 39 sehr stark erhöht.
3.1 zeigt die Formschneidplatte 37 mit den gestuften Partialschneiden 43, 45 und 47, welche sukzessiv tiefer ins Material eindringen.
Der axiale Abstand der Partialschneiden 41, 43 und 45 entspricht dem Vorschub bei der Bohrungsbearbeitung. Die Partialschneiden 41, 43 und 45 können jeweils etwa 0,1 mm Material abtragen.
3.2 zeigt die Aufnahme der Walze 39 im Zustellrahmen 41. Durch Justierschrauben kann die Drehachse 40 der Walze 39 gegenüber der Längsachse der Bohrung bzw. des von dem ersten Werkzeug 21 geschaffenen Profilstegs 1 eingestellt werden.
Der Zustellrahmen 41 ist gegen radiales Herauslösen durch die Zentrifugalkraft durch eine Blattfeder gesichert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2267178 A2 [0004]
DE 102006004769 A1 [0006]
DE 102008024313 A1 [0007]
DE 202009014180 U1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Aufrauprofils an der Innenfläche einer Bohrung, das als kombiniertes Zerspan- und Umformwerkzeug ausgebildet ist, mit einem, der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide dienenden Schneidwerkzeug zur Erzeugung einer Vorform eines Aufrauprofils und mit einem der Umformung der Vorform des Aufrauprofils dienenden Werkzeug aufweist, wobei die diese Werkzeuge in radialer Richtung zustellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Werkzeug (7) mit mindestens einer geometrisch bestimmten Schneide (11) vorgesehen ist, und dass das erste Werkzeug (7) dem Schneidwerkzeug (zweites Werkzeug) und dem der Umformung der Vorform des Aufrauprofils dienenden Werkzeug (drittes Werkzeug) in Vorschubrichtung vorgelagert angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeug (7) mindestens eine Schneide (11) umfasst, und dass die mindestens eine Schneide (11) mittelbar oder unmittelbar an einem Grundkörper (9) der Vorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schneide (11) des ersten Werkzeugs (7) auf einem Träger (13) befestigt ist, und dass der Träger (13) mit dem Grundkörper (9) verschraubt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schneide (11) des ersten Werkzeugs (7) vor der Bearbeitung einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formschneide (37) des zweiten Werkzeugs (21) mehrere, bevorzugt mindestens drei Partialschneiden (41, 43, 45) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschneide (37) des zweiten Werkzeugs (21) auf einem Biegehalter (35) befestigt ist, dass der Biegehalter (35) an einem zu der Formschneide (37) beabstandeten Ort mit dem Grundkörper (9) verschraubt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (9) ein radial verschiebbarer Zustellstift (33) geführt ist, dass ein erstes Ende des Zustellstifts (33) den Biegehalter (35) abstützt, und dass ein zweites Ende des Zustellstifts (33) auf einem Zustellkonus (31) einer ersten der Zustellstange oder eines ersten Zustellrohrs (25) aufliegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Werkzeug (23) eine drehbar gelagert Walze (39) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (40) der Walze (39) mit der Vorschubrichtung der Vorrichtung (5) einen Winkel alpha einschließt, wobei der Winkel alpha größer 0° und kleiner 15° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche der Walze (39) mindestens bereichsweise mit Hartstoffen, bevorzugt mit monokristallinen Hartstoffen, wie zum Beispiel Diamanten, belegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (39) radial und axial gelagert auf einem radial verschiebbaren Zustellrahmen (41) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustellrahmen (41) eine schräge Fläche aufweist, die mit einem Zustellkonus einer zweiten Zustellstange oder eines zweiten Zustellrohrs (27) zusammenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustellrahmen (41) mit einer zweiten Zustellstange oder einem zweiten Zustellrohr (27) formschlüssig gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (39) zylindrisch, ballig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der mit Diamanten bestückten Fläche der Walze (39) mindestens das 10-fache des Abstands zwischen zwei Partialschneiden (43, 45, 47) des zweiten Werkzeugs (21) oder mindestens das 10-fache des Vorschubs beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korngröße der Diamanten größer als 1/3 einer Breite der von dem zweiten Werkzeug (21) geschaffenen Stege (1) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeug (21) und/oder das dritte Werkzeug (23) vor, während und/oder nach der Bearbeitung einer Bohrung zustellbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das zweite Werkzeug (21) geschaffene Höhe eines Profilstegs (1) durch das anschließende Walzen mit dem dritten Werkzeug (23) um bis zu 50%, bevorzugt auf eine Profilhöhe von ca. 100 μm, reduziert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeug (7), das zweite Werkzeug (21) und das dritte Werkzeug (23) in Vorschubrichtung mit minimalem Abstand angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeug (7), das zweite Werkzeug (21) und das dritte Werkzeug (23) in Vorschubrichtung () koaxial zu einer Drehachse der Vorrichtung (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Grundkörper (9), dem zweiten Werkzeug (21) und/oder dem dritten Werkzeug (23) eine Umlenkkontur zum Ableiten der Späne vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (9) Austrittsöffnungen (49) für Kühlschmiermittel und/oder für kryogene Medien vorgesehen sind.
Werkstück oder Substrat mit einer aufgerauten Oberfläche, wobei die aufgeraute Oberfläche Stege (3) mit einer Profilweite (Pw) und einer Profiltiefe (Pt) aufweist, und wobei die Stege (3) an ihrer Oberseite eine Mikrorauheit (Mrh) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorauheit (Mrh) durch Umformen mittels Diamantkörnern erzeugt worden ist.
Werkstück oder Substrat nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilweite (Pw) der Stege (3) 50–400 μm beträgt.
Werkstück oder Substrat nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der Hinterschnitte (GHs) kleiner oder gleich ≤ 0,5 × der Profilweite (Pw) oder 25–200 μm beträgt.
Werkstück oder Substrat nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profiltiefe (Pt) der Stege (3) 50–200 μm beträgt.
Werkstück oder Substrat nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorauheit (Mrh) der Stege (3) an ihrer Oberseite ≤ 0,5 × der Profiltiefe (Pt) oder 25–100 μm beträgt.
Werkstück oder Substrat nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der Hinterschnitte (GHs) kleiner oder gleich 0,5 × der Profilweite (Pw) oder 25–200 μm ist.
Werkstück oder Substrat nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Profilabstand Pa größer oder gleich 2 × der Größe der Hinterschnitte (GHs) ist.
Verfahren zum Aufrauen einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks in einer Aufspannung mit einem Kombinationswerkzeug (5), umfassend die Bearbeitungsschritte Feinbohren mit einem ersten Werkzeug (7), Formschneiden mindestens eines Profilstegs (1) mit einem zweiten Werkzeug (21) und Umformen des mindestens eines Profilstegs (1) mit einem dritten Werkzeug (23).
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen der Oberfläche in einem Arbeitshub des Kombinationswerkzeugs (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen der Oberfläche in mehreren Arbeitshüben des Kombinationswerkzeugs (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Arbeitshüben das zweite Werkzeug (21) und/oder das dritte Werkzeug (23) in radialer Richtung zugestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Achslage des Kombinationswerkzeugs (5) relativ zu der bearbeiteten Oberfläche unverändert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschübe des Kombinationswerkzeugs (5) bei allen Arbeitshüben gleich ist.