DE102013021410A1 - Sample preparation arrangement and method for assessing the adhesion of a thermal sprayed coating - Google Patents

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Oliver Neufang
Michael Lahres
Tim Göttsching
Florian Seiffert
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Probenvorbereitungsanordnung bereit, die einen zylindrischen Prüfkörper (20) mit einer metallischen Oberfläche und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) zur Prüfung eines Haftvermögens der mikrostrukturierten Metalloberfläche umfasst. Die Vorrichtung zur Erzeugung der Mikrostruktur weist dabei eine Vorschubeinheit (10), die von einer Ausgangsposition entlang einer Vorschubachse in Richtung des Prüfkörpers (20) und über die metallische Oberfläche des Prüfkörpers (20) mittels eines Antriebs bewegbar ist, und eine Antriebsvorrichtung auf, mittels der der hohlzylindrische Prüfkörper (20) um seine Rotationsachse rotierbar ist. Ferner weist die Vorrichtung ein Stoppelement (4) auf, das auf der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) in einer vorbestimmten Distanz zu der Vorschubeinheit (10) in der Ausgangsposition angeordnet ist. Dabei hat die Vorschubeinheit (10) ein Kopfstück (9), an dem ein dem radial nach außen weisendes spanabhebendes Element (1) angeordnet ist, und einen Grundkörper, an dem das Kopfstück drehbar gelagert und mittels eines Scherstifts drehfest verbunden ist. Die Vorschubeinheit weist einen mittels einer Führungsvorrichtung (3) schwimmend mit dem Kopfstück (9) gekoppelten, zu dem Stoppelement (4) weisenden Anschlag (2) sowie einen axial in Vorschubrichtung bewegbaren Auswerfer (6) zur Bewegung des Anschlags (2) entlang der Führungsvorrichtung (3) auf. Der Abstand des Anschlags (2) von dem Kopfstück (9) entlang der Vorschubachse mittels der Führungsvorrichtung (3) ist variabel. Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) offenbart.The present invention provides a sample preparation assembly comprising a cylindrical test specimen (20) having a metallic surface and a device for creating a microstructure in the metallic surface of the specimen (20) for examining adhesion of the microstructured metal surface. The device for producing the microstructure in this case has a feed unit (10), which is movable from a starting position along a feed axis in the direction of the test body (20) and over the metallic surface of the test body (20) by means of a drive, and a drive device, by means of the hollow cylindrical test piece (20) is rotatable about its axis of rotation. Furthermore, the device has a stop element (4) which is arranged on the metallic surface of the test body (20) at a predetermined distance from the feed unit (10) in the starting position. In this case, the feed unit (10) has a head piece (9) on which a radially outwardly facing cutting element (1) is arranged, and a base body on which the head piece is rotatably mounted and rotatably connected by a shear pin. The feed unit has a by means of a guide device (3) floating with the head piece (9) coupled to the stop element (4) facing stop (2) and an axially movable in the feed direction ejector (6) for moving the stopper (2) along the guide device (3) on. The distance of the stop (2) from the head piece (9) along the feed axis by means of the guide device (3) is variable. Furthermore, a method for producing a microstructure in the metallic surface of the test specimen (20) is disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Probenvorbereitungsanordnung, die einen Prüfkörper mit einer metallischen Oberfläche und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers umfasst, um das Haftvermögen der mikrostrukturierten Metalloberfläche zu prüfen, und ein Verfahren, das mit der Probenvorbereitungsanordnung ausgeführt wird.The invention relates to a sample preparation assembly comprising a test specimen having a metallic surface and a device for generating a microstructure in the metallic surface of the specimen to check the adhesion of the microstructured metal surface, and a method performed with the sample preparation assembly.

Bei der Herstellung von Kurbelgehäusen von Kraftfahrzeugen wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung sowie der Lebensdauer eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit insbesondere der Zylinderlaufflächen angestrebt. Hierzu werden die Zylinderbohrungen mit einer Laufflächenschicht ausgekleidet, die zumeist mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen, aufgebracht wird. Zur besseren Haftung einer solchen Spritzschicht ist es bekannt, die Zylinderbohrung (auch Zylinderwand genannt) mit Mikrostrukturen wie Riefen und Hinterschneidungen zu versehen, was beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung wie Innendrehen erfolgen kann. Um eine reproduzierbare Haftung der Schicht sicherzustellen, ist die exakte Kenntnis der Oberflächenqualität der Zylinderwand nach dem Einbringen der Mikrostrukturen erforderlich.In the production of crankcases of motor vehicles, for reasons of energy efficiency and emission reduction as well as the service life, the lowest possible friction and a high abrasion and wear resistance, in particular of the cylinder running surfaces, are desired. For this purpose, the cylinder bores are lined with a tread layer, which is usually applied by means of thermal spraying, for example electric arc wire spraying. For better adhesion of such a sprayed layer, it is known to provide the cylinder bore (also called the cylinder wall) with microstructures such as grooves and undercuts, which can be done for example by machining such as internal turning. In order to ensure a reproducible adhesion of the layer, the exact knowledge of the surface quality of the cylinder wall after the introduction of the microstructures is required.

Zur Bestimmung der Oberflächenqualität ist beispielsweise aus der DE 10 2008 052 343 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Zylinderwand eines Kurbelgehäuses mittels einer konfokalen Kamera inspiziert wird, mit der sich virtuelle optische Schnitte durch die Probe erzeugen lassen, aus denen mittels einer geeigneten Bildbearbeitung räumliche Darstellungen der Probe erzeugt werden können, durch die eine Tiefe von Strukturen der Probe erfasst werden kann.For determining the surface quality, for example, from DE 10 2008 052 343 A1 a method is known in which the cylinder wall of a crankcase is inspected by means of a confocal camera, with which virtual optical sections can be generated by the sample, from which by means of a suitable image processing spatial representations of the sample can be generated, through which a depth of structures of Sample can be detected.

Ferner ist aus der DE 10 2007 008 604 A1 ein Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf Oberflächen, insbesondere von Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen, bekannt. Um eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung von Oberflächen, insbesondere von gehonten Zylinderlaufbahnen, zu ermöglichen, werden bei einer Strukturtrennung Soll- und Fehlermerkmale, insbesondere Soll- und Fehlerstrukturen, getrennt, indem ein Originalbild zerlegt wird, das mit Hilfe der Weißlicht-Interferometrie aus optischen 3D-Daten gewonnen wird.Furthermore, from the DE 10 2007 008 604 A1 a method for evaluating structures on surfaces, in particular honing structures on cylinder liners, known. In order to enable a comprehensive close-to-production, non-destructive quality assurance of surfaces, in particular honed cylinder liners, in a structure separation target and error characteristics, in particular target and error structures, separated by an original image is decomposed, using the white light interferometry of optical 3D data is gained.

Werden fehlerhafte Oberflächenstrukturen festgestellt, die auf ein vermindertes Haftvermögen für die thermische Spritzschicht schließen lassen, kann das Kurbelgehäuse aussortiert werden.If defective surface structures are detected, which indicate a reduced adhesion for the thermal spray coating, the crankcase can be sorted out.

Allerdings sind Untersuchungen an bearbeiteten Zylinderoberflächen relativ zeitaufwändig.However, studies on machined cylinder surfaces are relatively time consuming.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach und schnell durchführbare grundlegende Untersuchung von Oberflächenstrukturen, die durch spanende Bearbeitung metallischer Oberflächen erzeugt werden, zur Bewertung des Haftvermögens einer aufzubringenden thermischen Spritzschicht zu ermöglichen.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a simple and quick to carry out basic investigation of surface structures that are produced by machining metallic surfaces, to assess the adhesion of a thermal spray applied layer.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 4. Further developments are set forth in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Probenvorbereitungsanordnung umfasst in einer ersten Ausführungsform einen zylindrischen Prüfkörper mit einer metallischen Oberfläche und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers, um das Haftvermögen der mikrostrukturierten Metalloberfläche zu prüfen. Vorteilhaft hat dabei die Vorrichtung zur Erzeugung dieser Mikrostruktur eine Vorschubeinheit, die von einer Ausgangsposition entlang einer Vorschubachse in Richtung des Prüfkörpers und über die metallische Oberfläche des Prüfkörpers, bei der es sich um eine Mantelfläche des Zylinders handelt, mittels eines Antriebs bewegbar ist.In a first embodiment, the sample preparation arrangement according to the invention comprises a cylindrical test specimen having a metallic surface and a device for producing a microstructure in the metallic surface of the specimen in order to check the adhesion of the microstructured metal surface. Advantageously, the device for producing this microstructure has a feed unit which can be moved by means of a drive from a starting position along a feed axis in the direction of the test body and over the metallic surface of the test body, which is a lateral surface of the cylinder.

Ferner weist die Vorrichtung eine Antriebsvorrichtung auf, mittels der der zylindrische Prüfkörper um seine Rotationsachse, die parallel zu der Vorschubachse der Vorschubeinheit ist, rotiert werden kann, und ein Stoppelement, das auf der metallischen Oberfläche der Mantelfläche des Prüfkörpers in einer vorbestimmten Distanz zu der Vorschubeinheit in der Ausgangsposition angeordnet ist. Die Vorschubeinheit umfasst einen Grundkörper und ein Kopfstück, an dem ein radial nach außen weisendes spanabhebendes Element angeordnet ist. Das Kopfstück ist koaxial zu dem Grundkörper angeordnet und drehbar daran gelagert. Allerdings ist das Kopfstück mittels eines Scherstifts drehfest mit dem Grundkörper verbunden. Weiter weist die Vorschubeinheit einen mittels einer Führungsvorrichtung schwimmend mit dem Kopfstück gekoppelten, zu dem Stoppelement weisenden Anschlag auf. Der Abstand des Anschlags von dem Kopfstück entlang der Vorschubachse ist mittels der Führungsvorrichtung variabel, wobei ein axial in Vorschubrichtung bewegbarer Auswerfer, der zentrisch in der Vorschubeinheit gelagert ist, zur Bewegung des Anschlags entlang der Führungsvorrichtung vorgesehen ist.Furthermore, the device comprises a drive device, by means of which the cylindrical test body can be rotated about its axis of rotation, which is parallel to the feed axis of the feed unit, and a stop element on the metallic surface of the lateral surface of the test body at a predetermined distance to the feed unit is arranged in the starting position. The feed unit comprises a base body and a head piece, on which a radially outwardly facing cutting element is arranged. The head piece is arranged coaxially with the base body and rotatably supported thereon. However, the head piece by means of a shear pin rotatably connected to the body. Furthermore, the feed unit has a stop, which is coupled in a floating manner to the head piece by means of a guide device and points to the stop element. The distance of the stop from the head piece along the feed axis is variable by means of the guide device, wherein an ejector axially movable in the feed direction, which is mounted centrally in the feed unit, is provided for moving the stop along the guide device.

Es ist nicht generell ausgeschlossen, dass die metallische Oberfläche des zylindrischen Prüfkörpers eine äußere Mantelfläche sein kann, bevorzugt jedoch wird als Prüfkörper ein Hohlzylinder verwendet. Dabei ist die metallische Oberfläche, auf der das Stoppelement angeordnet ist, die innere Mantelfläche des Hohlzylinders. Das spanabhebende Element kann eine Schneidplatte, bevorzugt eine Wendeschneidplatte, sein.It is not generally excluded that the metallic surface of the cylindrical Test specimen may be an outer surface, but preferably a hollow cylinder is used as the specimen. In this case, the metallic surface on which the stop element is arranged, the inner circumferential surface of the hollow cylinder. The cutting element may be an insert, preferably an indexable insert.

Das unter Verwendung der erfindungsgemäßen Probenvorbereitungsanordnung erfindungsgemäß ausführbare Verfahren dient dem Erzeugen einer Spanwurzel an einer metallischen Oberfläche eines Prüfkörpers. Dies wiederum dient der Untersuchung der werkstoff- und bearbeitungsspezifischen Einflüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit zur Beurteilung des Haftvermögens einer thermischen Spritzschicht.The method which can be carried out according to the invention using the sample preparation arrangement according to the invention is used to produce a chip root on a metallic surface of a test specimen. This, in turn, serves to investigate the material and processing-specific influences on the surface properties in order to assess the adhesion of a thermal sprayed coating.

Es umfasst die Schritte:

  • – Anordnen des zylindrischen Prüfkörpers in der Probenvorbereitungsanordnung mit der Vorschubeinheit in der Ausgangsposition, dabei Anordnen des Stoppelements auf der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers in einer vorbestimmten Distanz zu der Vorschubeinheit in der Ausgangsposition,
  • – Antreiben und Bewegen der Vorschubeinheit entlang der Vorschubachse in Richtung des Prüfkörpers, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit (vf,Einheit) des Kopfstücks und eine Vorschubgeschwindigkeit (vf,Anschlag) des schwimmend mit dem Kopfstück verbundenen und benachbart, d. h. proximal, zu dem Kopfstück vorliegenden Anschlags gleich sind,
  • – Weiterbewegen der Vorschubeinheit über die metallische Oberfläche des Prüfkörpers, dabei eindringen Lassen des spanabhebenden Elements, das radial nach außen weisend am Kopfstück angeordnet ist, mit einer vorbestimmten Schnitttiefe in die metallische Oberfläche des Prüfkörpers, und Erzeugen eines Spans aus der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers durch das spanabhebende Element,
  • – Bewegen des Auswerfers axial in Vorschubrichtung und Beschleunigen des schwimmend auf der Führungsvorrichtung gelagerten Anschlags relativ zu dem Kopfstück durch den Auswerfer, wobei die Vorschubgeschwindigkeit (vf,Anschlag) des Anschlags größer ist als die gleichbleibende Vorschubgeschwindigkeit (vf,Einheit) des Kopfstücks bzw. der Vorschubeinheit, so dass der Abstand des Anschlags von dem Kopfstück bis zu einem durch die Führungsvorrichtung begrenzten Maximalabstand größer wird,
  • – in Umfangsrichtung des mit dem Prüfkörper rotierenden Stoppelements Anschlagen des Anschlags an dem Stoppelement,
  • – beim Anschlagen Übertragen eines Drehmoments von dem Stoppelement auf das Kopfstück, wobei der Scherstift abschert und das drehbar gelagerte Kopfstück in Bezug auf den Grundkörper aus der Kontaktzone entgegen der Schnittrichtung gedreht wird, so dass der spanende Eingriff des spanabhebenden Elements mit der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers unmittelbar beendet wird und der erzeugte Span mitsamt Spanwurzel an der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers verbleibt.
It includes the steps:
  • Arranging the cylindrical specimen in the sample preparation arrangement with the advancing unit in the starting position, thereby arranging the stoppage element on the metallic surface of the specimen at a predetermined distance to the advancing unit in the starting position,
  • - Driving and moving the feed unit along the feed axis in the direction of the specimen, wherein a feed rate (v f, unit ) of the head and a feed rate (v f, stop ) of the floating connected to the head piece and adjacent, ie proximal, present to the head piece Are the same,
  • - Moving the advancing unit on the metallic surface of the specimen, thereby penetrate the cutting element, which is arranged radially outwardly facing the head piece, with a predetermined depth of cut into the metallic surface of the specimen, and generating a chip from the metallic surface of the specimen the cutting element,
  • Moving the ejector axially in the feed direction and accelerating the stop mounted floatingly on the guide device relative to the head piece by the ejector, wherein the feed speed (v f, stop ) of the stopper is greater than the constant feed rate (v f, unit ) of the head piece or the advancing unit so that the distance of the stopper from the head piece becomes larger up to a maximum distance limited by the guiding device.
  • In the circumferential direction of the stop element rotating with the test piece, striking the stop on the stop element,
  • Upon striking, transmitting torque from the stop member to the header, shearing off the shear pin, and rotating the pivoted header relative to the body from the contact zone counter to the cutting direction such that the cutting engagement of the cutting member with the metallic surface of the sample is terminated immediately and the chip produced together with ravine remains on the metallic surface of the specimen.

Eine Spanwurzel beschreibt sowohl die Form und Gestalt des entstehenden Spans als auch den Entstehungsort des Spans in der Kontaktzone unmittelbar am spanabhebenden Element. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Spanwurzeln, die durch schlagartige Unterbrechung des Schneidvorgangs erzeugt werden, gestatten Rückschlüsse auf die Auswirkung der Werkzeug- und Bearbeitungsparameter auf die durch den Schneidvorgang erzeugte Werkstückwand. Eine Mikrospanwurzel hat dabei Schnitttiefen und -breiten, die kleiner als 1000 μm, vorzugsweise kleiner als 500 μm sind.A chip root describes both the shape and shape of the resulting chip as well as the origin of the chip in the contact zone directly on the cutting element. Scanning electron microscopic examinations of chip roots, which are produced by abrupt interruption of the cutting process, allow conclusions to be drawn about the effect of the tool and machining parameters on the workpiece wall produced by the cutting process. A micro-spindle root has cut depths and widths which are smaller than 1000 μm, preferably smaller than 500 μm.

Das Verfahren umfasst ferner vor erneuter Durchführung der vorgenannten Schritte zum Erzeugen einer weiteren Spanwurzel das Arretieren des Kopfstücks an dem Grundkörper der Vorschubeinheit durch Einfügen eines neuen Scherstifts.The method further comprises, before re-performing the aforesaid steps for creating a further rake root, locking the head piece to the main body of the feed unit by inserting a new shear pin.

Vorteilhaft werden bestehende Untersuchungsmethoden durch die vorliegende Erfindung ergänzt, die Untersuchung von Oberflächenstrukturen, die durch spanende Bearbeitung metallischer Oberflächen erzeugt werden, zur Bewertung des Haftvermögens einer aufzubringenden thermischen Spritzschicht ermöglicht.Advantageously, existing investigation methods are supplemented by the present invention, the investigation of surface structures, which are produced by machining metallic surfaces, to assess the adhesion of a thermal sprayed layer applied.

Geeigneter Weise müssen diese Untersuchungen nicht an kompletten Zylinderkurbelgehäusen erfolgen, sie können an Materialproben durchgeführt werden. Dies ermöglicht u. a. eine frühzeitige Bewertung der Spanbruchbildung in einer frühen Entwicklungsphase neuer Zylinderkurbelgehäusegeometrien, deren Legierungszusammensetzungen und Wärmebehandlungszuständen. Somit kann bereits in einer frühen Entwicklungsphase eines Al-Zylinderkurbelgehäuses gezielt Einfluss auf das erforderliche Spanbruchverhalten genommen werden, um eine optimale Schichtanbindung der thermischen Beschichtung an das oberflächenaktivierte Al-Substrat zu gewährleisten.Suitably, these tests do not have to be done on complete cylinder crankcases, they can be performed on material samples. This allows u. a. an early assessment of chipbreaking at an early stage of development of new crankcase geometries, their alloy compositions and heat treatment conditions. Thus, in an early development phase of an Al cylinder crankcase targeted influence on the required chip breaking behavior can be taken in order to ensure an optimal layer connection of the thermal coating to the surface-activated Al substrate.

Aber auch während der Serienproduktion kann mittels der erfindungsgemäßen Mikrospanwurzeluntersuchung die Qualität der Spanbruchbildung dokumentiert werden.But even during series production can be documented by means of Mikrospanwurzeluntersuchung invention the quality of chip breaking.

Die erfindungsgemäße Mikrospanwurzeluntersuchung ermöglicht zudem die Entwicklung neuer Schnittparametersätze und die Bewertung neuer Schneidstoffe und Schneidengeometrien, ohne jedoch vergleichsweise aufwendige Untersuchungen an Zylinderkurbelgehäusen durchführen zu müssen, die den Einsatz zumindest seriennaher Bearbeitungswerkzeuge, Bearbeitungsmaschinen und Werkstückvorrichtungen erforderlich machen würden.The Mikrospanwurzeluntersuchung invention also allows the development of new Schnittparametersätze and the evaluation of new cutting materials and cutting geometries, without However, to carry out comparatively complex investigations on cylinder crankcases, which would require the use of at least close-to-production machining tools, processing machines and workpiece fixtures.

Die Gestaltung der Probenvorbereitungsanordnung ermöglicht zudem einzelne Bearbeitungsschritte, die beim Einsatz seriennaher Bearbeitungswerkzeuge aufgrund ihres Funktionsprinzips zwingend erforderlich sind, gezielt zu entfernen, um den jeweiligen Einfluss einzelner Aufrauwerkzeugmerkmale besser bewerten zu können.The design of the sample preparation arrangement also makes it possible to selectively remove individual processing steps that are absolutely necessary when using close-to-production processing tools because of their functional principle in order to better evaluate the respective influence of individual roughening tool features.

So wird mittels der Spanwurzeln erzeugenden Vorrichtung und dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine schnelle Klassifizierung des zu erwartenden Haftvermögens bei Anwendung des NMRP-Aufrauverfahrens für Nanoslide-Beschichtung erreicht.Thus, by means of the chip roots generating device and the method according to the invention described, advantageously a rapid classification of the expected adhesion is achieved when using the NMRP roughening method for nanoslide coating.

Weiter ist so die gezielte Optimierung von Zerspanparametersätzen im Hinblick auf eine optimale Haftung der Nanoslide-Beschichtung auf der aufgerauten Zylinderlaufbahnoberfläche möglich.Furthermore, the targeted optimization of Zerspanparametersätzen with regard to an optimal adhesion of the nanoslide coating on the roughened cylinder surface is possible.

Vorteilhaft bildet das Verfahren quasi eine qualitative Vorfilterung für neu anlaufende Produktlinien mit Nanoslide in Bezug auf neue Kurbelgehäusewerkstoffe und es erlaubt das Vergleichen unterschiedlicher PKD-Schneidwerkstoffe (polykristalliner Diamant) zur Mikroaufrauung.Advantageously, the process quasi forms a qualitative prefiltering for newly starting product lines with nanoslide with respect to new crankcase materials and it allows the comparison of different PCD cutting materials (polycrystalline diamond) for micro-roughening.

Weiter können Verschleißeffekte bei der Aufrauung und Einleitung gezielter Abhilfemaßnahmen erkannt werden.Furthermore, wear effects during roughening and initiation of targeted remedial measures can be recognized.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 Seitenansichten a, b, c der erfindungsgemäßen Probenvorbereitungsanordnung zur Mikrospanwurzelgenerierung, 1 Side views a, b, c of the sample preparation arrangement according to the invention for microspot root generation,

2 Frontansichten a, b der erfindungsgemäßen Vorschubeinheit, 2 Front views a, b of the feed unit according to the invention,

3 sechs rasterelektromikroskopische Aufnahmen von mit der Vorrichtung erzeugten Mikrospanwurzeln. 3 six scanning electron micrographs of microspindle roots produced by the device.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrospanwurzeln zur Bewertung der Haftqualität von mechanisch aufgerauten Zylinderlaufbahnen in Aluminium-Kurbelgehäusen für aufgebrachte thermische Spritzschichten.The invention relates to an apparatus and a method for producing Mikrospanwurzeln for evaluating the adhesion quality of mechanically roughened cylinder liners in aluminum crankcases for applied thermal spray coatings.

Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Mikrospanwurzeln ausgeführt wird, die NMRP-Spanbildung mit realitätsnahen Schnittparametern darzustellen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen der optimierten Auslegung der NMRP-Mikroverklammerung bzw. der Mikrostrukturierung der Zylinderlaufbahnoberfläche für die nachfolgend aufgebrachte thermische Spritzschicht. Das heißt, die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Generierung von Mikrospanwurzeln, wie sie im künftigen Fertigungsprozess beim Mikroaufrauen der Zylinderlaufbahnen in Aluminium-Kurbelgehäusen auftreten. Unter Mikroaufrauung bzw. Mikrozerspanung wird hierbei eine ultrapräzise mechanische Zerspanung verstanden, bei der Maßabweichungen innerhalb nur weniger Mikrometer liegen.In this case, the device according to the invention, with which the method according to the invention for producing microspot roots is executed, makes it possible to represent NMRP chip formation with realistic cutting parameters. The knowledge gained from this is used to optimize the design of the NMRP micro-clamping or the microstructuring of the cylinder surface for the subsequently applied thermal spray coating. That is, the device according to the invention enables the generation of Mikrospanwurzeln, as they occur in the future manufacturing process in micro-roughening the cylinder liners in aluminum crankcases. Micro-roughening or micromachining here means ultra-precise mechanical machining in which dimensional deviations lie within only a few micrometers.

Durch eine nachfolgende gezielte metallographische Präparation und rasterelektronenmikroskopische Untersuchung kann so in einem frühen Entwicklungsstadium in Abhängigkeit von den gewählten Kombinationen verschiedener Zerspanungsparameter (z. B. Vorschub, Spantiefe, Schnittgeschwindigkeit) eine Vorauswahl hinsichtlich des zu erwartenden späteren Haftvermögens der thermischen Spritzschicht getroffen und eingestellt werden.By means of a subsequent targeted metallographic preparation and scanning electron microscopic examination, a pre-selection with regard to the expected subsequent adhesion of the thermal sprayed layer can be made and adjusted at an early stage of development, depending on the selected combinations of different cutting parameters (eg feed, depth of cut, cutting speed).

Aus 1 und 2 kann das konstruktive Funktionsprinzip der Erfindung entnommen werden. 1 zeigt in drei aufeinanderfolgenden Schritten a, b und c die Spanwurzelgenerierung in einer erfindungsgemäßen Probenvorbereitungsanordnung. Dabei wird der Prüfkörper 20, vorliegend eine Buchse, derart in Bezug zu der Vorschubeinheit 10 angeordnet, dass die Wendeschneidplatte 1, die an dem Kopfstück 9 der Vorschubeinheit eingespannt ist, in die Oberfläche des Prüfkörpers 20 zur Mikrozerspanung eindringen kann. In 1a) befindet sich die Vorschubeinheit 10 in ihrer Ausgangsposition im Wesentlichen außerhalb der Buchse 20. In einem vorbestimmten Abstand zu dem Rand der Buchse 20, von dem aus die Vorschubeinrichtung 10 in die Buchse 20 geführt wird, wird das Stoppelement 4 angeordnet. Die Vorschubeinheit 10 wird mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit vf,Einheit in Richtung der mit vc,Wst. rotierenden Buchse 20 bewegt. Der Anschlag 2, der schwimmend über die beiden Führungsschienen 3 mit dem Kopfstück 9 verbunden ist, liegt dabei mit minimalem Abstand zu dem Kopfstück 9 vor und wird so mit der gleichen Geschwindigkeit vf,Anschlag vorwärtsbewegt.Out 1 and 2 can be taken from the constructive principle of the invention. 1 shows in three successive steps a, b and c the chip root generation in a sample preparation arrangement according to the invention. This is the test specimen 20 , in the present case a bush, in relation to the feed unit 10 arranged that the indexable insert 1 attached to the head piece 9 the feed unit is clamped in the surface of the specimen 20 can penetrate the micro-cutting. In 1a) is the feed unit 10 in its initial position substantially outside the socket 20 , At a predetermined distance to the edge of the socket 20 , from which the feed device 10 in the socket 20 is guided, the stop element 4 arranged. The feed unit 10 is at constant feed rate v f, unit in the direction of v c, Wst. rotating socket 20 emotional. The stop 2 floating over the two guide rails 3 with the head piece 9 is connected, lies at a minimum distance to the head 9 before and is thus moved forward at the same speed v f, stop .

Das Werkstück wird gleichzeitig mit der Geschwindigkeit vc,Wst. senkrecht zur Vorschubrichtung aus der Bildebene heraus, wie durch den von einem Kreis umgebenen Punkt angedeutet wird, bewegt. The workpiece is moved simultaneously with the speed v c, Wst. perpendicular to the feed direction out of the image plane, as indicated by the point surrounded by a circle, moves.

In 1b) nun hat die Spanbildung mittels der Schneidplatte 9 in der Oberfläche des Prüfkörpers 20 begonnen. Das Kopfstück 9 und die Vorschubeinheit 10 bewegen sich weiterhin konstant mit der Vorschubgeschwindigkeit vf,Einheit. Der Anschlag 2 wird nun axial in Vorschubrichtung von dem axial verschiebbaren Auswerfer 6, der den Anschlag 2 auf eine Vorschubgeschwindigkeit vf,Anschlag beschleunigt, die größer als die Vorschubgeschwindigkeit vf,Einheit der Vorschubeinheit 10 ist, sodass sich der Anschlag 2 auf den Führungsschienen 3 in Vorschubrichtung weiterbewegt und von der Vorschubeinheit 10 entfernt. Die Vorschubgeschwindigkeit des Kopfstücks 9 und der Vorschubeinheit 10 bleiben konstant bei vf,Einheit, da der Anschlag 2 aufgrund der Führungsschienen 3 axial von der Vorschubeinheit 10 entkoppelt ist. Erreicht und überschreitet der Anschlag 2 den vorbestimmten Abstand zum Rand der Buchse 20, kommt es zum Kontakt zwischen dem Anschlag 2 und dem mit der Buchse 20 rotierenden Stoppelement 4. Der Überlapp des Anschlags 2 an dem Stoppelement 4 ist von der Vorschubgeschwindigkeit vf,Anschlag des Anschlags 2 abhängig und beträgt in der Regel einige Millimeter. Dabei schlägt das Stoppelement 4 in Umfangsrichtung an den Anschlag 2 an.In 1b) now has the chip formation by means of the cutting plate 9 in the surface of the specimen 20 began. The head piece 9 and the feed unit 10 continue to move constantly with the feed rate v f, unit . The stop 2 is now axially in the feed direction of the axially displaceable ejector 6 who the stop 2 accelerated to a feed rate v f, stop , which is greater than the feed rate v f, unit of the feed unit 10 is, so that the attack 2 on the guide rails 3 moved in the direction of feed and the feed unit 10 away. The feed rate of the head piece 9 and the feed unit 10 stay constant at v f, unit, since the stop 2 due to the guide rails 3 axially from the feed unit 10 is decoupled. Reached and exceeded the stop 2 the predetermined distance to the edge of the socket 20 , it comes to contact between the stop 2 and with the jack 20 rotating stop element 4 , The overlap of the stop 2 at the stop element 4 is from the feed speed v f, stop of the stop 2 dependent and is usually a few millimeters. The stop element hits 4 in the circumferential direction of the stop 2 at.

Dadurch wird, wie in 1c) skizziert, durch das Stoppelement 4 ein Drehmoment auf den Anschlag 2 und damit auf das Kopfstück 9 ausgeübt, wodurch der Scherstift 5 abschert, sodass das Kopfstück 9 mit der Wendeschneidplatte 1 entgegen der Schnittrichtung aus der Kontaktzone um ein bestimmtes Radialmaß r heraus rotiert und dadurch der Zerspanungsvorgang unmittelbar unterbrochen wird. Die Vorschubeinheit 10 mit allen anderen Elementen verfährt anschließend zurück in ihre Ausgangsposition, ohne dass eine weitere Zerspanung erfolgt, da die Wendeschneidplatte 1 mit dem Kopfstück 9 aufgrund der Unterbrechung eine um das Maß r verdrehte Position im Vergleich zur Ausgangsposition aufweisen.This will, as in 1c) outlined by the stop element 4 a torque on the stop 2 and thus on the head piece 9 exercised, causing the shear pin 5 shears off, so the head piece 9 with the indexable insert 1 rotates counter to the cutting direction of the contact zone by a certain radial dimension r out and thus the cutting process is interrupted immediately. The feed unit 10 with all other elements then moves back to their original position, without any further cutting, as the indexable insert 1 with the head piece 9 due to the interruption have a rotated by the measure r position compared to the starting position.

In 2a und b) ist die durch das Anschlagen des Anschlags 2 an dem Stoppelement 4 hervorgerufene Drehung r des Kopfstücks 9 der Vorschubeinheit 10, wodurch die Schneidplatte 1 aus der Oberfläche der Buchse 20 genommen wird, in Frontansichten verdeutlicht.In 2a and b) is that by striking the stop 2 at the stop element 4 caused rotation r of the head piece 9 the feed unit 10 , whereby the cutting plate 1 from the surface of the socket 20 taken in front views clarified.

Der in 1a und b sowie 2a zu sehende Scherstift 5 arretiert das Kopfstück 9 während des Zerspanungsvorganges, sodass mit der Schneidplatte 1 ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Schnitt zur Spanbildung in der Oberfläche der Buchse 20 erfolgen kann. Die durch den Zerspanungsvorgang entstehenden Kräfte und Momente werden durch den Scherstift kompensiert. Kommt es zur Überdeckung zwischen dem Anschlag 2 und dem Stoppelement 4 wird allerdings ein erhöhtes Drehmoment auf den Scherstift 5 ausgeübt, sodass dieser bricht und das Kopfstück 9 nicht mehr mit dem Grundkörper 8 verbunden ist und mit der Wendeschneidplatte 1 aus der Kontaktzone heraus rotiert.The in 1a and b as well 2a Shear pin to be seen 5 locks the head piece 9 during the cutting process, so with the insert 1 a continuous and uniform cut for chip formation in the surface of the bushing 20 can be done. The forces and moments created by the cutting process are compensated by the shear pin. If it comes to the overlap between the stop 2 and the stop element 4 However, an increased torque on the shear pin 5 exercised so that it breaks and the head piece 9 no longer with the main body 8th connected and with the indexable insert 1 rotated out of the contact zone.

3 zeigt sechs rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen mit Beispielen für Mikrospanwurzeln nach der metallographischen Präparation in verschiedenen Ansichten und Maßstäben. 3 shows six scanning electron micrographs with examples of microspark roots after metallographic preparation in different views and scales.

Aus den Aufnahmen wird deutlich, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Generierung von gut zu untersuchenden Spanwurzeln möglich ist.From the recordings it becomes clear that with the device according to the invention it is possible to generate chip roots which are easy to examine.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008052343 A1 [0003] DE 102008052343 A1 [0003]
  • DE 102007008604 A1 [0004] DE 102007008604 A1 [0004]

Claims (5)

Probenvorbereitungsanordnung, die einen zylindrischen Prüfkörper (20) mit einer metallischen Oberfläche und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) zur Prüfung eines Haftvermögens der mikrostrukturierten Metalloberfläche umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung – eine Vorschubeinheit (10), die von einer Ausgangsposition entlang einer Vorschubachse in Richtung des Prüfkörpers (20) und über die metallische Oberfläche des Prüfkörpers (20) mittels eines Antriebs bewegbar ist, und – eine Antriebsvorrichtung, mittels der der zylindrische Prüfkörper (20) um die eine Achse parallel zu der Vorschubachse der Vorschubeinheit (10) rotierbar ist, – und ein Stoppelement (4) aufweist, das auf der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) in einer vorbestimmten Distanz zu der Vorschubeinheit (10) in der Ausgangsposition angeordnet ist, wobei die Vorschubeinheit (10) – ein Kopfstück (9), an dem ein dem radial nach außen weisendes spanabhebendes Element (1) angeordnet ist, und einen zu dem Kopfstück (9) koaxialen Grundkörper (8) hat, wobei das Kopfstück (9) drehbar an dem Grundkörper (8) gelagert und mittels eines Scherstifts (5) drehfest mit dem Grundkörper (8) verbunden ist, und – einen mittels einer Führungsvorrichtung (3) schwimmend mit dem Kopfstück (9) gekoppelten, zu dem Stoppelement (4) weisenden Anschlag (2) aufweist, und – einen axial in Vorschubrichtung bewegbaren Auswerfer (6) zur Bewegung des Anschlags (2) entlang der Führungsvorrichtung (3) aufweist, wobei der Abstand des Anschlags (2) von dem Kopfstück (9) entlang der Vorschubachse mittels der Führungsvorrichtung (3) variabel ist.Sample preparation arrangement comprising a cylindrical specimen ( 20 ) with a metallic surface and a device for producing a microstructure in the metallic surface of the test body ( 20 ) for testing an adhesion of the microstructured metal surface, characterized in that the device comprises - a feed unit ( 10 ) starting from a starting position along a feed axis in the direction of the test body ( 20 ) and over the metallic surface of the specimen ( 20 ) is movable by means of a drive, and - a drive device, by means of which the cylindrical test body ( 20 ) about the one axis parallel to the feed axis of the feed unit ( 10 ) is rotatable, - and a stop element ( 4 ), which on the metallic surface of the test specimen ( 20 ) at a predetermined distance to the feed unit ( 10 ) is arranged in the starting position, wherein the feed unit ( 10 ) - a head piece ( 9 ), on which a radially outwardly facing cutting element ( 1 ), and one to the header ( 9 ) coaxial basic body ( 8th ), the headpiece ( 9 ) rotatable on the base body ( 8th ) and by means of a shear pin ( 5 ) rotatably with the main body ( 8th ), and - one by means of a guiding device ( 3 ) floating with the head piece ( 9 ), to the stop element ( 4 ) pointing stop ( 2 ), and - an ejector movable axially in the feed direction ( 6 ) to move the stop ( 2 ) along the guide device ( 3 ), wherein the distance of the stop ( 2 ) from the header ( 9 ) along the feed axis by means of the guide device ( 3 ) is variable. Probenvorbereitungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Prüfkörper (20) ein Hohlzylinder ist und die metallische Oberfläche, auf der das Stoppelement (4) angeordnet ist, eine innere Mantelfläche des Hohlzylinders ist.Sample preparation arrangement according to claim 1, characterized in that the cylindrical test body ( 20 ) is a hollow cylinder and the metallic surface on which the stop element ( 4 ) is arranged, an inner circumferential surface of the hollow cylinder. Probenvorbereitungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spanabhebende Element (1) eine Schneidplatte (1), bevorzugt eine Wendeschneidplatte (1) ist.Sample preparation arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the chip-removing element ( 1 ) an insert ( 1 ), preferably an indexable insert ( 1 ). Verfahren zum Erzeugen einer Spanwurzel an einer metallischen Oberfläche eines Prüfkörpers (20) unter Verwendung einer Probenvorbereitungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die Schritte: – Anordnen des zylindrischen Prüfkörpers (20) in der Probenvorbereitungsanordnung mit der Vorschubeinheit (10) in der Ausgangsposition, dabei Anordnen des Stoppelements (4) auf der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) in einer vorbestimmten Distanz zu der Vorschubeinheit (10) in der Ausgangsposition, – Antreiben und rotieren Lassen des zylindrischen Prüfkörpers (20) um seine Rotationsachse, – Antreiben und Bewegen der Vorschubeinheit (10) entlang der Vorschubachse in Richtung des Prüfkörpers (20), wobei eine Vorschubgeschwindigkeit (vf,Einheit) des Kopfstücks (9) und eine Vorschubgeschwindigkeit (vf,Anschlag) des schwimmend mit dem Kopfstück (9) verbundenen und benachbart zu dem Kopfstück (9) vorliegenden Anschlags (2) gleich sind, – Weiterbewegen der Vorschubeinheit (10) über die metallische Oberfläche des Prüfkörpers (20), dabei eindringen Lassen des spanabhebenden Elements (1), das radial nach außen weisend am Kopfstück (9) angeordnet ist, mit einer vorbestimmten Schnitttiefe in die metallische Oberfläche des Prüfkörpers (20) und Erzeugen eines Spans aus der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) durch das spanabhebende Element (1), – Bewegen des Auswerfers (6) axial in Vorschubrichtung und Beschleunigen des Anschlags (2) durch den Auswerfer (6), wobei die Vorschubgeschwindigkeit (Vf,Anschlag) des Anschlags (2) größer ist als die gleichbleibende Vorschubgeschwindigkeit (vf,Einheit) des Kopfstücks (9), wobei der Abstand des Anschlags (2) von dem Kopfstück (9) bis zu einem durch die Führungsvorrichtung (3) begrenzten Maximalabstand größer wird, – in Umfangsrichtung des mit dem Prüfkörper (20) rotierenden Stoppelements (4) Anschlagen des Anschlags (2) an dem Stoppelement (4), dabei Übertragen eines Drehmoments von dem Stoppelement (4) auf das Kopfstück (9), wobei der Scherstift (5) abschert und das Kopfstück (9) in Bezug auf den Grundkörper (8) gedreht wird, so dass der spanende Eingriff des spanabhebenden Elements (1) mit der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) beendet wird und der erzeugte Span als Spanwurzel an der metallischen Oberfläche des Prüfkörpers (20) verbleibt.Method for producing a chip root on a metallic surface of a test specimen ( 20 ) using a sample preparation arrangement according to at least one of claims 1 to 3, comprising the steps: - arranging the cylindrical test body ( 20 ) in the sample preparation arrangement with the feed unit ( 10 ) in the starting position, while arranging the Stoppelements ( 4 ) on the metallic surface of the specimen ( 20 ) at a predetermined distance to the feed unit ( 10 ) in the starting position, - drive and rotate let the cylindrical test specimen ( 20 ) about its axis of rotation, - driving and moving the feed unit ( 10 ) along the feed axis in the direction of the specimen ( 20 ), wherein a feed rate (v f, unit ) of the header ( 9 ) and a feed rate (v f, stop ) of the floating with the head piece ( 9 ) and adjacent to the header ( 9 ) present attack ( 2 ), - advancing the feed unit ( 10 ) over the metallic surface of the specimen ( 20 ), thereby allowing the chip-removing element to penetrate ( 1 ) pointing radially outwards on the head piece ( 9 ) is arranged, with a predetermined depth of cut in the metallic surface of the specimen ( 20 ) and producing a chip from the metallic surface of the test specimen ( 20 ) by the cutting element ( 1 ), - moving the ejector ( 6 ) axially in the feed direction and accelerate the stop ( 2 ) through the ejector ( 6 ), wherein the feed rate (V f, stop ) of the stop ( 2 ) is greater than the constant feed rate (v f, unit ) of the header ( 9 ), whereby the distance of the stop ( 2 ) from the header ( 9 ) to one through the guide device ( 3 ) limited maximum distance is greater, - in the circumferential direction of the test body ( 20 ) rotating stoppers ( 4 ) Striking the stop ( 2 ) on the stop element ( 4 ), while transmitting a torque from the stop element ( 4 ) on the head piece ( 9 ), the shear pin ( 5 ) and the head piece ( 9 ) with respect to the main body ( 8th ) is rotated, so that the cutting engagement of the cutting element ( 1 ) with the metallic surface of the test specimen ( 20 ) and the generated chip is used as a chip root on the metallic surface of the test specimen ( 20 ) remains. Verfahren nach Anspruch 4, umfassend den Schritt: vor dem Durchführen der Verfahrensschritte aus Anspruch 4 zum Erzeugen einer weiteren Spanwurzel Arretieren des Kopfstücks (9) an dem Grundkörper (8) der Vorschubeinheit (10) durch Einfügen eines neuen Scherstifts (5).A method according to claim 4, comprising the step of: prior to carrying out the method steps of claim 4, for producing a further chip root locking of the head piece ( 9 ) on the base body ( 8th ) of the feed unit ( 10 ) by inserting a new shear pin ( 5 ).
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