DE102013103843A1

DE102013103843A1 - Verfahren zur Herstellung einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102013103843A1
Application number: DE102013103843.3A
Authority: DE
Inventors: Knut Schmidt; Mirko Demmler; Marco Wiethop; Anja Naake
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer eine Beschichtung tragenden, als Gleitfläche oder Lauffläche bestimmten Werkstückoberfläche eines Werkstücks. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt durch eine spanende Bearbeitung (1) im Feinspindelverfahren eine Bohrung in das Werkstück eingebracht. Anschließend erfolgt eine aktive Strukturierung durch eine der spanenden Bearbeitung überlagerte Schwingungsanregung (2) mit einem Bearbeitungswerkzeug, dem mittels mehrerer am Umfang des Bearbeitungswerkzeugs gleichverteilt angeordneter Piezoaktuatoren eine Schwingung aufgeprägt wird, sodass eine wellige Oberflächenstruktur erzeugt wird. Nach dem anschließenden Waschen und Trocknen (3) der bearbeiteten Werkstückoberfläche wird auf die so erzeugte Oberflächenstruktur eine Beschichtung (4) aufgebracht, deren Haftfestigkeit gegenüber bisherigen Verfahren wesentlich verbessert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer eine Beschichtung tragenden, als Gleitfläche oder Lauffläche vorgesehenen Werkstückoberfläche, insbesondere einer Innenfläche einer Bohrung eines Werkstücks, mittels einer Bearbeitungsvorrichtung, die eine Werkzeugspindel und mehrere auf diese wirkende Piezoaktuatoren aufweist, durch die ein Bearbeitungswerkzeug der Bearbeitungsvorrichtung in Schwingungen versetzt wird.
Ein solches Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, wird in der Praxis bereits eingesetzt und zählt dadurch zum Stand der Technik.
Die Zylinderlaufflächen in Motorblöcken von Brennkraftmaschinen sind im Betrieb der Brennkraftmaschine einer starken Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Motorblöcken darauf an, diese und andere beanspruchte Flächen, beispielsweise Gleitlager in Pleuelbohrungen, so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Ölfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand von sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Gleitflächen oder Laufflächen von hoch belasteten Werkstücken werden insbesondere mit thermischen Verfahren mit einer geeigneten Beschichtung versehen, um die tribologischen Eigenschaften oder die Korrosionsbeständigkeit durch die Beschichtung zu optimieren. Derartige Beschichtungen benötigen eine Haftgrundvorbereitung der Oberfläche des Werkstücks, um die optimale Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche sicherzustellen.
Bei der Haftgrundvorbereitung werden derzeit in der Praxis Strahlprozesse mit abrasiven Partikeln, beispielsweise das Korundstrahlen, eingesetzt. Die durch die kinetische Energie des Strahlguts aufgeraute Oberfläche bietet gute mechanische Verklammerungsmöglichkeiten zwischen der aufzutragenden Beschichtung und der Werkstückoberfläche und somit eine gute Haftfestigkeit der Beschichtung. Als nachteilig erweist sich dabei die aufwendige, zeit- und kostenintensive Reinigung des Werkstücks von Rückständen des Strahlguts. Derartige Rückstände können im späteren Betrieb des Werkstücks zu unerwünschten abrasiven Wirkungen und somit zu Funktionsbeeinträchtigungen führen.
Die DE 10 2006 017 990 A1 betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Bohrungen, das mindestens eine Modifikationsoperation zur Erzeugung einer darin als Tribomutationsschicht bezeichneten dünnen, oberflächennahen Materialzone umfasst. Die Tribomutationsschichten werden gezielt in der Endphase der Bearbeitung eines Werkstücks erzeugt, um den bearbeiteten Werkstücken vor Beginn der bestimmungsgemäßen Verwendung besonders vorteilhafte tribologische Eigenschaften zu verleihen. Für die Durchführung einer Modifikationsoperation können modifizierte, nicht-konventionelle Honwerkzeuge eingesetzt werden. Die Modifikationsoperation wird topografieneutral so durchgeführt, dass die beispielsweise durch Rauheitswerte charakterisierbare Oberflächenstruktur bzw. Oberflächentopografie der Innenfläche nicht signifikant verändert wird.
Bei einer Verfahrensvariante erfolgt zur Unterstützung der mechanischen Aktivierung der Tribomutation während der Modifikationsoperation eine Ultraschallanregung des Bearbeitungswerkzeugs. Dabei kann beispielsweise das an einer Werkzeugspindel befestigte Bearbeitungswerkzeug piezoelektrisch in longitudinale Schwingungen versetzt werden, die sich, evtl. durch geeignete Konstruktion des Bearbeitungswerkzeugs, in eine oszillierende Querkontraktion des Bearbeitungswerkzeugs umsetzen. Diese pulsierende bzw. oszillierende Querkontraktion des Bearbeitungswerkzeugs führt zu einer hämmernden Beanspruchung der bearbeiteten Innenfläche durch die Bearbeitungselemente, wodurch die Entstehung der Tribomutationsschicht herbeigeführt oder gefördert werden kann.
Beispielsweise kann eine hochfrequent oszillierende Radialbewegung erzeugt werden, die von einem Ultraschallschwingkopf erzeugt wird, welcher ein Paket von piezoelektrischen Elementen umfasst, die als elektromechanischer Wandler dienen, um die anliegende hochfrequente Wechselspannung in eine hochfrequente oszillierende Axialbewegung umzuwandeln. Diese axiale Oszillationsbewegung wird im Honwerkzeug in eine hochfrequent oszillierende Radialbewegung umgesetzt. Das System ist dabei so ausgelegt, dass Schwingungen mit der Eigenfrequenz dieses Schwingungssystems angeregt werden.
Die JP 2000-291487 A beschreibt ein Honwerkzeug mit piezoelektrischen Zustellelementen zwischen dem Werkzeugkörper und den Honleisten.
In der EP 1 169 154 B1 ist eine piezoelektrische Stelleinrichtung beschrieben, die im Werkzeugkörper zwischen einander radial gegenüberliegenden Schneiden angeordnet ist.
Die EP 1 790 435 A1 zeigt ein Werkzeug mit einer Basiszustellung zum vollflächigen Bearbeiten der Bohrungsfläche und einer zusätzlichen Feinzustellung zur Erzeugung von Formänderungen, die von der zylindrischen Form abweichen. Die Formänderungen werden durch ein zwischen Schneidleiste und Tragleiste angeordnetes radial wirkendes piezoelektrisches Stellelement erzeugt.
Die DE 10 2008 064 592 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer nicht zylindrischen Innenfläche einer Bohrung, beispielsweise Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren, mit entlang des Umfangs der Vorrichtung angeordneten und auf die Innenfläche der Bohrung radial zustellbaren Bearbeitungswerkzeugen. Um einen längeren Zustellweg realisieren zu können, wirken die vorzugsweise piezoelektrischen Stellelemente jeweils auf ein hydraulisches Leitungssystem ein. Die elektrischen Stellelemente können im Werkzeug oder in der Werkzeugaufnahmeeinheit, an die das Werkzeug angeschlossen wird, in beliebiger Lage, das heißt auch horizontal oder vertikal, eingebaut sein.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine haftfeste Beschichtung auf der Werkstückoberfläche anzubringen. Weiterhin sollen dabei mögliche Verunreinigungen mit Abrasivmitteln vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem mittels des Bearbeitungswerkzeugs eine spanende Bearbeitung der Werkstückoberfläche durchgeführt wird, während die Piezoaktuatoren das Bearbeitungswerkzeug in eine Schwingung versetzen, sodass eine insbesondere wellige Oberflächenstruktur erzeugt wird, und bei dem anschließend auf die so erzeugte Oberflächenstruktur die Beschichtung aufgebracht wird. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, dass mittels der Schwingungsanregung des Bearbeitungswerkzeugs eine Kontur in der Werkstückoberfläche ohne den Einsatz zusätzlicher Hilfsmittel, insbesondere Abrasivmedien, erzeugt werden kann, welche die Haftfestigkeit der darauf anzubringenden Beschichtung wesentlich verbessert. Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass die wellenförmige Kontur eine Amplitude aufweist, die durch die übliche Stärke der darauf anzubringenden Beschichtung flächig und mit zumindest ausreichender Mindeststärke abgedeckt wird, sodass die Beschichtung in gewohnter Weise aufgebracht und gegebenenfalls fertigbearbeitet werden kann. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik, bei dem der Einsatz des Piezoaktuators dem Zweck dient, die Oberflächenfertigbearbeitung des mit der Beschichtung versehenen Werkstücks ohne Materialabtrag zu unterstützen, wird demgegenüber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die spanende Bearbeitung zum gezielten Einbringen einer Rauigkeit bzw. Struktur vor dem Aufbringen der Beschichtung genutzt. Im Gegensatz zu einer Oberflächenbearbeitung mit abrasiven Medien kann somit auf den Einsatz einer hierfür erforderlichen Anlagentechnik und zugleich auf die zum Reinigen erforderlichen Maßnahmen verzichtet werden. Es ist offensichtlich, dass das Verfahren nicht nur technologische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile hat, indem das Verfahren als integriertes Verfahren wesentlich schneller durchgeführt werden kann und Fehlereinflüsse weitgehend eliminiert werden.
Die Schwingungsanregung des Bearbeitungswerkzeugs kann problemlos an die jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere die Materialeigenschaften des Werkstücks sowie der Beschichtung und die zu erwartenden Betriebsbedingungen des fertiggestellten Werkstücks angepasst werden. Als besonders vorteilhaft hat sich bereits eine Ausgestaltung des Verfahrens erwiesen, bei dem das Bearbeitungswerkzeug in eine harmonische Schwingung versetzt wird, sodass eine regelmäßige, wiederkehrende Struktur in der Werkstückoberfläche erzeugt wird. Hierdurch werden über die gesamte, von der Bearbeitung betroffene Werkstückoberfläche nahezu übereinstimmende Haftungseigenschaften der Beschichtung und Beschichtungsstärken erreicht. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine bestimmte Orientierung der Wellenlinien in Bezug auf die Werkstückoberfläche beschränkt. Vielmehr können auch kreuzende Strukturierungen vorgesehen werden. Vorzugsweise verlaufen die Wellenlinien nicht parallel zu einer späteren relativen Bewegungsrichtung der entlang der Gleitfläche oder Lauffläche beweglichen Funktionselemente.
Dabei kann es zudem besonders Erfolg versprechend sein, wenn nichtlineare Anregungssignale und/oder Abfolgen verschiedener Amplituden und/oder Frequenzen verwendet oder überlagert werden. Hierdurch kann die Strukturierung gezielt an die im späteren Betrieb in der Gleitfläche oder Lauffläche auftretenden unterschiedlichen Belastungen nach ihrer Stärke und Richtung in den entsprechenden Bereichen in optimaler Weise angepasst werden. Besonders stark belastete Bereiche können daher anders bzw. mit abweichender Orientierung bearbeitet werden, um so die Haftfestigkeit in diesen Bereichen zu stärken.
In ähnlicher Weise hat es sich bereits als besonders gewinnbringend erwiesen, wenn der harmonischen Schwingung insbesondere ein hochfrequentes Rauschsignal überlagert wird. Auf diese Weise wird der Schwingung des Bearbeitungswerkzeugs zusätzlich eine stochastische Welligkeit oder Rauheit aufgeprägt, sodass es zu einem unregelmäßigen, nicht notwendigerweise vorherbestimmbaren Verlauf der Strukturierung kommt. Derartige zufällige Strukturierungen haben bereits besonders gute Haftungsergebnisse erzielt, deren Wirkmechanismus noch nicht vollständig verstanden ist.
Als besonders zweckmäßig zeigt sich dabei eine Variante, bei welcher die Amplitude der Oberflächenstruktur weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 70 µm beträgt und damit wesentlich geringer als die Beschichtungsstärke ist. Dadurch wird eine zuverlässige Verbindung der Beschichtung mit der Substratoberfläche sichergestellt, ohne dass bei einer nachfolgenden Bearbeitung der Beschichtung die darunterliegende Werkstückoberfläche wieder freigelegt wird.
Die erfindungsgemäße Wellenstruktur kann bereits durch eine Schwingungsanregung in Richtung einer Raumachse erzeugt werden. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn das Bearbeitungswerkzeug mit Schwingungsamplituden in Richtung mehrerer, insbesondere drei zueinander senkrechter Raumachsen überlagert ausgelenkt wird, sodass eine komplexe Struktur erzeugt wird, durch die insbesondere auch die Haftfestigkeit bei Belastung in unterschiedlichen Richtungen wesentlich erhöht wird. Dabei wird durch die dreidimensionale Schwingung in einfacher Weise eine besonders effektive Oberflächenvergrößerung der Werkstückoberfläche erreicht, durch welche die Haftfestigkeit wesentlich optimiert wird.
Indem gemäß einer weiteren Ausgestaltung das Bearbeitungswerkzeug in eine Schwingung mit einer Frequenz im Bereich der Eigenfrequenz versetzt wird, kann eine besonders große Auslenkung im Verhältnis zu der Schwingungsanregung erreicht werden. Auf diese Weise wird also der Wirkungsgrad der Schwingungsanregung verbessert. Vorzugsweise weicht die Schwingungsanregung geringfügig von der Eigenfrequenz ab, um so die Beherrschbarkeit des Verfahrens sicherzustellen.
Selbstverständlich kann die Wellenkontur in einem separaten Verfahrensschritt vor dem Auftrag der Beschichtung eingebracht werden. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der das Bearbeitungswerkzeug in einem zur Erzeugung der gewünschten Werkstückoberfläche bestimmten Verfahrensschritt, insbesondere durch eine spanende Bearbeitung, mit der Schwingung beaufschlagt wird. Indem die Strukturierung in den Verfahrensschritt der Herstellung der Bohrungsgeometrie integriert wird, kann auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt verzichtet werden. Dabei umfasst der Verfahrensschritt die Herstellung des Durchmessers, der Zylinderform, der Rundheit oder der Lage bzw. deren abschließende Korrektur vor dem Aufbringen der Beschichtung.
Selbstverständlich ist die Schwingungseinleitung nicht auf einen einzelnen oder eine ununterbrochene Folge von Verfahrensschritten beschränkt. Vielmehr kann die mit der Schwingung beaufschlagte Bearbeitung mehrfach wiederholt und insbesondere in einen Regelkreis eingebunden werden, welcher auch der Überwachung der Welligkeit dient.
Das erfindungsgemäße Verfahren könnte in einen Schleifprozess integriert werden. Besonders bevorzugt wird als Bearbeitungswerkzeug ein Schneidwerkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide eingesetzt, um so eine eindeutig reproduzierbare Kontur oder Strukturierung sicherstellen zu können. Außerdem kann ein geometrisch bestimmtes Werkzeug auch nichtspanend eingesetzt werden, beispielsweise indem eine spitz zulaufende oder mit einer Abrundung versehene Kontur, beispielsweise ein Kugelkopf, als Bearbeitungswerkzeug zum partiellen Gravieren oder Verdichten der Werkstückoberfläche eingesetzt wird.
Das Verfahren ist bei nahezu allen eine Beschichtung tragenden, als Gleitfläche oder Lauffläche bestimmten Werkstückoberflächen eines metallischen Werkstücks geeignet. Als besonders Erfolg versprechend hat sich bereits der Einsatz bei einem Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlauffläche bei Motorblöcken für Brennkraftmaschinen erwiesen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einem Ablaufdiagramm die einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung einer als Gleitfläche oder Lauffläche geeigneten Werkstückoberfläche, beispielsweise einer Zylinderlauffläche eines als Motorblock ausgeführten Werkstücks. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt durch spanende Bearbeitung 1 im Feinspindelverfahren eine Bohrung in das Werkstück eingebracht. Anschließend erfolgt eine aktive Strukturierung durch eine Schwingungsanregung 2 mit einem Bearbeitungswerkzeug, dem mittels mehrerer am Umfang des Bearbeitungswerkzeugs gleichverteilt angeordneter Piezoaktuatoren eine Schwingung aufgeprägt wird, sodass eine wellige Oberflächenstruktur erzeugt wird. Nach dem anschließenden Waschen und Trocknen 3 der bearbeiteten Werkstückoberfläche wird auf die so erzeugte Oberflächenstruktur eine Beschichtung 4 aufgebracht. In der Figur ist abweichend noch eine alternative Abfolge in einer gestrichelten Darstellung gezeigt, bei der die aktive Strukturierung zugleich mit dem Feinspindeln der Bohrung in das Werkstück eingebracht wird, sodass hierbei zwei separate Verfahrensschritte 1, 2 zu einem gemeinsamen Verfahrensschritt, also zu einer spanenden Bearbeitung mit Schwingungsanregung 5, zusammengefasst sind.
In 2 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in einer Prinzipdarstellung zu erkennen. Zur Haftgrundvorbereitung einer Beschichtung auf einer als Gleitfläche oder Lauffläche vorgesehenen Werkstückoberfläche 6 eines eine Zylinderbohrung 7 aufweisenden, lediglich andeutungsweise dargestellten Werkstücks 8 ist eine Bearbeitungsvorrichtung 9 durch vier Piezoaktoren 10 auslenkbar angeordnet. Die Bearbeitungsvorrichtung 9 hat eine Werkzeugspindel 11 und ein als Schneidwerkzeug ausgeführtes Bearbeitungswerkzeug 12. Während der spanenden Bearbeitung der Werkstückoberfläche 6 versetzen die Piezoaktoren 10 das Bearbeitungswerkzeug 12 in Schwingungen, sodass eine insbesondere wellige Oberflächenstruktur erzeugt wird und anschließend auf die so erzeugte Oberflächenstruktur die Beschichtung aufgebracht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006017990 A1 [0006]
JP 2000-291487 A [0009]
EP 1169154 B1 [0010]
EP 1790435 A1 [0011]
DE 102008064592 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer eine Beschichtung tragenden, als Gleitfläche oder Lauffläche vorgesehenen Werkstückoberfläche (6) eines Werkstücks (8) mittels einer Bearbeitungsvorrichtung (9), die eine Werkzeugspindel (11) und mehrere auf diese wirkende Piezoaktuatoren (10) aufweist, durch die ein Bearbeitungswerkzeug (12) der Bearbeitungsvorrichtung (9) in Schwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bearbeitungswerkzeugs (12) eine spanende Bearbeitung (1) der Werkstückoberfläche (6) durchgeführt wird, während die Piezoaktuatoren (10) das Bearbeitungswerkzeug (12) in eine Schwingung (2) versetzen, sodass eine insbesondere wellige Oberflächenstruktur erzeugt wird, und dass anschließend auf die so erzeugte Oberflächenstruktur die Beschichtung (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (12) in eine harmonische Schwingung (2) versetzt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nichtlineare Anregungssignale und/oder Abfolgen verschiedener Amplituden und/oder Frequenzen verwendet oder überlagert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der harmonischen Schwingung (2) insbesondere ein hochfrequentes Rauschsignal überlagert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Oberflächenstruktur weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 70 µm beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (12) mit Schwingungsamplituden in Richtung mehrerer, insbesondere drei zueinander senkrechter Raumachsen überlagert ausgelenkt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (12) in eine Schwingung (2) mit einer Frequenz im Bereich der Eigenfrequenz versetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (12) während der spanenden Bearbeitung (1) der Werkstückoberfläche (6) in eine insbesondere gleichförmige Schwingung (2) versetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungswerkzeug (12) ein Schneidwerkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide eingesetzt wird.