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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderbohrung mit einer selektiven Oberflächenbehandlung.
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Zylindrische Innenoberflächen der Motorbohrungen, durch die ein Motorkolben läuft, werden zum Bereitstellen einer Oberflächenrauigkeit zur leichteren Bindung an die später aufgebrachte Metallbeschichtung behandelt. Verschiedene Oberflächenaufrauungstechniken wurden im Stand der Technik verwendet, sahen sich aber ihren Grenzen gegenüber.
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Die Schrift
DE 11 2008 002 642 B4 beschreibt eine Zylinderbohrung mit einer zylindrischen Wand, die in einem Mittelabschnitt eine höhere Oberflächenrauigkeit aufweist als in den oberen und unteren Endabschnitten. Eine ähnliche Zylinderbohrung zeigt auch die
FR 2 884 889 A1 . Die
DE 10 2008 026 146 A1 zeigt eine Zylinderbohrung, die in einem Mittelabschnitt einen im Vergleich zur oberen und unteren Endabschnitten vergrößerten Durchmesser aufweist. Ferner ist es aus der
DE 10 2009 027 200 B3 bekannt, in eine Zylinderbohrung mit einem spanenden Werkzeug Rechtecks- bzw. Trapeznuten in die Wandungsoberfläche einzubringen, wobei ein Grad der plastischen Verformung der sich ergebenden Nuten in Längsrichtung eine Veränderung zeigt.
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Die weiteren Schriften
US 2011/0297118 A1 ,
JP 2007-277607 A und
DE 10 2012 214 566 A1 zeigen weitere Zylinderbohrungen mit verschiedenen Oberflächenbeschichtungen, die einer aufrauenden Nachbehandlung unterzogen werden kann.
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Dem gegenüber sieht die vorliegende Erfindung eine Zylinderbohrung gemäß Patentanspruch 1 vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also eine Zylinderbohrung mit selektiver Oberflächenbehandlung bereitgestellt, die eine Längsachse und eine zylindrische Wand, die sich entlang der Längsachse erstreckt, wobei die zylindrische Wand einen ersten und/oder zweiten Endabschnitt und einen Mittelabschnitt aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt angeordnet ist, wobei der Mittelabschnitt eine höhere Oberflächenrauigkeit aufweist als der erste und/oder der zweite Endabschnitt.
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In einer anderen Ausführungsform weist der Mittelabschnitt eine höhere Oberflächenrauigkeit als der erste und der zweite Endabschnitt auf. In noch einer anderen Ausführungsform weist der erste und/oder zweite Endabschnitt erste und/oder zweite Endabschnittdurchmesser auf, wobei der Mittelabschnitt einen Mittelabschnittdurchmesser aufweist und mindestens einer der ersten und zweiten Endabschnittsdurchmesser kleiner ist als der Mittelabschnittdurchmesser. Die ersten und zweiten Endabschnittdurchmesser können jeweils kleiner sein als der Mittelabschnittdurchmesser.
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In noch einer anderen Ausführungsform beträgt ein axiales Längenverhältnis von dem Mittelabschnitt zu dem ersten und/oder zweiten Endabschnitt 10:1 bis 50:1. Der erste Endabschnitt kann eine andere axiale Länge in Bezug auf den zweiten Endabschnitt aufweisen. Unter bestimmten Umständen weist ein erster und/oder zweiter Endabschnitt eine axiale Länge auf, die 2 bis 15 Prozent einer Länge des mittleren zylindrischen Abschnitts beträgt. Unter bestimmten anderen Umständen weist ein erster und/oder zweiter Endabschnitt eine axiale Länge auf, die 15 bis 25 Prozent einer axialen Länge des Mittelabschnitts beträgt.
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Der aufgeraute Mittelabschnitt beinhaltet eine Anzahl von Zähnen und Rillen, wobei die Zähne jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Unter bestimmten Umständen können die Oberseiten der Zähne zum Erhöhen der Adhäsion geformt werden. Dieser Schritt kann mit einem Werkzeug durchgeführt werden, das einen Wischeinsatz aufweist oder mit einer Glattwalze oder einem Rändelwerkzeug.
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm zum Behandeln der Oberfläche einer Zylinderbohrung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 2A ein nicht einschränkendes Beispiel einer Zylinderbohrung, die mit dem Verfahren aus 1 behandelt werden kann;
- 2B eine Querschnittsansicht der Zylinderbohrung aus 2A;
- 3A eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer Innenfläche der Zylinderbohrung aus 2A, die Zähne darstellt, die auf der Innenfläche geformt sind;
- 3B eine vergrößerte Ansicht eines gewischten Oberflächenabschnitts einer Zylinderbohrung;
- 3C eine überlagerte Ansicht der Figuren aus 3A und 3B;
- 3D eine andere Querschnittsansicht der Zähne aus 3A;
- 3E eine andere Querschnittsansicht der Zähne aus 3B;
- 4A eine isolierte, perspektivische Ansicht der Zylinderbohrung aus 2A;
- 4B eine Querschnittsansicht einer Sprühpistole, die in der Zylinderbohrung aus 4A aufgenommen wird;
- 5A bis 5E Ansichten der Zahnverformung aufgrund einer abwärts wirkenden Kraft auf die Zähne;
- 6A bis 6C Ansichten der Zahnverformung aufgrund einer abgewinkelt wirkenden Kraft auf die Zähne; und
- 7 die Beschichtungsadhäsionswerte mit oder ohne Formungsschritt wie in dem Beispiel.
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Im Folgenden wird detailliert Bezug genommen auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, die den Erfindern bekannt ist. Man wird jedoch verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind spezifische hierin offenbarte Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung für Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder die Verwendung zu verstehen und Modifizierungen davon sind mit „etwa“ angegeben, um den weitesten Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
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Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien, die für einen vorgegebenen Zweck in Zusammenhang mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließt ein, dass Mischungen beliebiger zwei oder mehrerer der Elemente der Gruppe oder Klasse gleichfalls geeignet sind. Die Beschreibung der Bestandteile in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zu dem Zeitpunkt der Zugabe zu jeder beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert ist und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Mischung nach Mischen aus. Die erste Definition eines Akronyms oder anderer Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen der gleichen Abkürzung hierin und gilt mutatis mutandis für normale grammatische Variationen der anfangs definierten Abkürzung. Wenn nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben, wird die Messung einer Eigenschaft durch die gleiche Technik bestimmt, wie diejenige, auf die zuvor oder später für die gleiche Eigenschaft Bezug genommen wird.
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Wie in 2A und 2B dargestellt weist ein Motorblock 220 eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) eine oder mehrere Zylinderbohrungen 210 auf. Die Zylinderbohrungen 210 können von einer zylindrischen Wand aus einem Metallmaterial geformt oder definiert werden, einschließlich Stahl, Eisen und Aluminium. Unter bestimmten Umständen können Zylinderbohrungen 210, die von relativ leichten Metallen wie Aluminium geformt und definiert werden, gegenüber ihren Stahl- und Eisengegenstücken vorgezogen werden, um die Motorgröße und/oder -gewicht zu reduzieren und die Motorleistungsausgabe und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
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Wenn Aluminium zum Bau solcher Motorblöcke verwendet wird, steigern bestimmte Prozesse bekanntermaßen die Stärke und Verschleißbeständigkeit der Aluminiummotorbohrungen. Ein Verfahren ist der Einsatz von Zylinderauskleidungen in den und neben den Zylinderbohrungen. Ein alternatives Verfahren ist das Aufbringen von Metallbeschichtungen auf eine Innenoberfläche der Aluminiumzylinderbohrungen, die im Wesentlichen als Zylinderauskleidung fungieren.
Zylindrische Innenoberflächen der Motorbohrungen, durch die ein Motorkolben läuft, werden zum Bereitstellen einer Oberflächenrauigkeit zur leichteren Bindung an die später aufgebrachte Metallbeschichtung behandelt. Verschiedene Oberflächenaufrauungstechniken wurden im Stand der Technik verwendet, sahen sich aber ihren Grenzen gegenüber. Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, schwächen das bestehende Aufrauungsproblem ab.
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In einem Aspekt und wie in 1, 2B und 3A bis 3E dargestellt, umfasst ein Verfahren 100 bei Schritt 102 das selektive Aufrauen einer Innenoberfläche 230 der Zylinderbohrung 210 zum Erzeugen von rechteckigen, gezahnten Schnitten 314 in der Innenoberfläche. Unter bestimmten Umständen und wie bei Schritt 102 und 104 angegeben, kann ein ausgewählter Abschnitt der Innenoberfläche 230 maschinell bearbeitet werden, um eine Aussparung und quadratische Rillen zu formen. Das Verfahren 100 beinhaltet bei Schritt 104 ferner das Abstreifwischen der rechteckigen gezahnten Einschnitte 314 zum Formen von gewischten gezahnten Einschnitten 324. Das Verfahren 100 kann ferner bei Schritt 108 das Reinigen der Innenoberfläche 230 nach dem Schneiden und Abstreifwischen in Vorbereitung auf die Beschichtung beinhalten, die im Allgemeinen bei Schritt 110 indiziert ist. Unter gewissen anderen Umstanden kann das Abstreifwischen unter Verwendung eines Werkzeugs durchgeführt werden, das zum Schneiden der Aussparung verwendet wird, aber mit der Spindel entgegen des gleichen Werkzeugpfads läuft, der zum Schneiden der Aussparung verwendet wird, mit einer geringen Zunahme wie 5 bis 15 Mikrometer des programmierten Radius.
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In Bezug auf 3A und 3D kann der Zahn 314 eine obere Breite Wt1, eine untere Breite Wb1, eine Höhe H1, einen oberen Spalt Gt1 und einen unteren Spalt Gb1 aufweisen. Der obere Spalt Gt1 und der untere Spalt Gb1 definieren das Ausmaß der Trennung zwischen zwei benachbarten Zähnen. Nach dem Abstreifwischen und wie in 3B dargestellt, weisen die Zähne 324 jeweils eine obere Breite Wt2, eine untere Breite Wb2, eine Höhe H2, einen oberen Spalt Gt2 und einen unteren Spalt Gb2 auf. Der obere Spalt Gt2 und der untere Spalt Gb2 definieren das Ausmaß der Trennung zwischen zwei benachbarten Zähnen. Die Höhe H2 kann einen kleineren Wert als H1 aufweisen.
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Zum Erzeugen der Zahnabmessungen, wie illustrativ in 3B und 3E dargestellt, kann das Abstreifwischen durch Gleiten eines starren Körpers mit einer Kraft durchgeführt werden, die in eine abgewinkelte Richtung mit einem Winkel einwirkt, der größer als null und kleiner als 90 Grad in Bezug auf eine radiale Richtung B-B' ist, entlang der sich die Zähne 314, 324 erstrecken. Ohne die Absicht, auf eine bestimmte Theorie beschränkt zu sein, wird davon ausgegangen, dass mit der Kraft, die von der Richtung α gekennzeichnet ist, die Zähne 314 sich zu einer Form verformen, die mehr wie die durch die Zähne 324 dargestellte ist, und nicht wie die Form, die in 5C dargestellt ist. Unter bestimmten Umständen kann der starre Körper eine Walze sein, die in axiale Richtung mit einer tangentialen Geschwindigkeit nach unten gleitet.
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In Bezug auf 3B und 3E können die Zähne 324 mit einem „Pilz“-artigen Kappenabschnitt bereitgestellt sein, sodass die Zähne 324 eine relativ breitere Oberseite und eine relativ engere Mitte oder Mittelabschnitt aufweisen.
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In Bezug auf 2B wird eine Querschnittsansicht der Zylinderbohrung 210 dargestellt. Die Zylinderbohrung 210 weist eine Längsachse L-L' und eine Zylinderwand 240 auf, die sich in der Längsachse L-L' erstreckt. Die Zylinderwand 240 definiert einen Hohlraum 250, in dem ein Motorkolben (nicht dargestellt) aufgenommen werden kann. Die Zylinderwand 240 weist einen ersten und/oder zweiten Endabschnitt 212, 222 und einen Mittelabschnitt 232 auf, der zwischen dem ersten und/oder zweiten Endabschnitt 212, 222 angeordnet ist. Der Mittelabschnitt 232 weist eine größere Oberflächenrauigkeit als ein erster und/oder zweiter Endabschnitt 212, 222 auf. Die Oberflächenrauigkeit des Mittelabschnitts 232 kann größer sein als die Oberflächenrauigkeit des ersten und/oder zweiten Endabschnitts 212, 222. Die Oberflächenabschnitte 230a und 230b der Innenoberfläche 230, die dem ersten und/oder zweiten zylindrischen Endabschnitt 212, 222 entspricht, kann auch keiner Oberflächenaufrauung unterzogen werden; oder, wenn dieser behandelt wird, wird diese weniger als der Oberflächenabschnitt 230c der Innenoberfläche 230, der dem mittleren zylindrischen Abschnitt 232 entspricht, aufgeraut. In diesem Zusammenhang bedeutet dies, dass die Innenoberfläche 230 der Zylinderbohrung 210 selektiv oberflächenbehandelt ist.
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Die Oberflächenrauigkeit kann über die manuelle Prüfung, einschließlich Sichtprüfung und Berührungsprüfung, bestimmt werden. Im Allgemeinen ist eine Oberfläche mit keiner oder weniger Aufrauung relativ glatter. Ein nicht einschränkendes Beispiel des Verfahrens zum Messen der Oberflächenrauigkeit ist die Verwendung eines stiftartigen Oberflächenprofilometers. Repräsentative Modelle schließen den Talysurf PGI 420 ( von Taylor Hobson in GB), den Hommel T1000 (von Jenoptik in Deutschland), den Mitutoyo Surftest SJ201-P (Mitutoyo in Japan) ein.
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Wie bei Schritt 102 in 1 und 2B angezeigt, kann die selektive Aufrauung auf dem Oberflächenabschnitt 230c über eine interpolierte Bearbeitung vermittelt werden. Eine Werkzeugklinge (nicht dargestellt) mit einem rechteckigen, insbesondere einem quadratischen Zahnprofil wird durch den Hohlraum 250 in die dargestellte Richtung A-A' eingeführt. Die Werkzeugklinge schneidet ein rechteckiges Gewindeprofil, wie allgemein bei 330 dargestellt. Das rechteckige Gewindeprofil 330 weist eine Anzahl von Zähnen 314 auf, die sich mit einer Anzahl von Aussparungen 316 abwechseln. Die Gesamtzahl und Abmessungen der Zähne 314 und der Aussparungen 316 können variiert werden, um einen gewünschten Adhäsionsgrad zu liefern. Zum Beispiel kann die Gesamtzahl von Zähnen 314 zu einer größeren Adhäsion führen.
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In diesem Zusammenhang kann sich die Werkzeugklinge interpolieren, d. h. die Werkzeugklinge dreht sich und bewegt sich gleichzeitig über einen kreisförmigen Pfad um den Oberflächenabschnitt 230c und nach unten in die Richtung A-A'. Dies gestattet die Bearbeitung von Rillen in jeder beliebigen Bohrung mit einem Durchmesser, der größer ist als der des Werkzeugs. Die Interpolation macht es möglich, Bohrungen unterschiedlicher Parameter mit der gleichen Werkzeugklinge zu schneiden.
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Die mechanischen Aufrauungsverfahren, die auf der Abschlussbohrung beruhen, erfordern, dass das Werkzeug an der Oberseite der Bohrung eingeführt wird, wobei die Bearbeitung durch die Bohrung hindurch bis zu ihrer Unterseite ausgeführt ist, wonach die Bohrung gesäubert wird, bevor das Werkzeug herausgezogen wird, um Schäden an den Schneidzähnen zu vermeiden. Die Zähne auf diesen Werkzeugen sind nicht gleich, sodass kein Zahn das Profil erzeugen kann. Tatsächlich schneiden sie in einer spezifischen Reihenfolge und erzeugen ein angemessenes Profil, wofür sie einen genauen Abstand axial für jede Umdrehung vorgeschoben werden müssen. Wenn das Schneidwerkzeug herausgezogen wird, ohne den Teil zu säubern, werden die letzten Gewinde nicht angemessen geformt und die Zähne auf dem Werkzeug werden schließlich brechen. Für einige dieser herkömmlichen Schneidverfahren muss das Schneidwerkzeug ggf. einen bedeutenden Abstand wie 10 bis 15 mm unterhalb der Unterseite der Bohrung zum Säubern zurücklegen, um ein Brechen des Werkzeugs zu vermeiden. Aus mindestens diesen Gründen können die herkömmlichen Verfahren nicht interpolieren, oder eines würde enden mit einem Bündel paralleler Rillen ohne Hinterschnitte, bis das Werkzeug bricht.
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In dem Interpolationsverfahren gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schneidet jeder Zahn das volle Profil in aufeinanderfolgenden Umdrehungen, während er sich auf einem kreisförmigen Pfad um die Bohrung ohne Axialbewegung bewegt. Auf diese Weise kann es an jedem beliebigen Punkt der Bohrung gestartet und gestoppt werden und es besteht kein Bedarf, von oben nach unten zu schneiden, um das Werkzeug einzuführen und herauszuziehen. Die Interpolation ermöglicht eine selektive Bereichskapazität, weil nicht unbedingt eine axiale Bewegung erforderlich ist und die Säuberungsprobleme im Zusammenhang mit bestimmten herkömmlichen Schneidverfahren können abgeschwächt werden. Das interpolierte Verfahren kann unabhängig von dem Durchmesser der Bohrung sein und ermöglicht das Erzeugen einer Gewindetasche, die flexibler und weniger komplex ist als die gewisser herkömmlicher Bohrungsbearbeitungen.
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Zum herkömmlichen Bohren oder Honen ist die Bearbeitung bohrungsdurchmesserspezifisch. Wenn man also zwei Motorvarianten mit zwei Bohrungsdurchmessern herstellt, müssen separate Werkzeuge für jede davon verwendet werden, wodurch ein Werkzeugbestand und Fehlernachweiskosten steigen. Ein Werkzeugsatz für alle Bohrungen ist vorteilhaft, weil er die Werkzeugkosten reduziert und die Werkzeugverwaltung an der Anlage vereinfacht.
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In diesem Zusammenhang wird ein bohrungsbasierte Schneidwerkzeug mit festem Durchmesser ebenfalls nicht dazu in der Lage sein, ein selektives Schneiden zu erreichen. Ein Werkzeug mit festem Durchmesser würde nämlich auch mindestens den Endabschnitt 212 vor dem Erreichen des Mittelabschnitts 232 schneiden. Als Ergebnis gäbe es keine selektive Aufrauung des Mittelabschnitts 232, während der Endabschnitt 212 ungeschnitten oder nicht aufgeraut bliebe.
Nach dem selektiven Schneiden kann der Oberflächenabschnitt 230c einem Abstreifwischen unterzogen werden, das allgemein bei Schritt 106 von 1 angezeigt ist. Beim Abstreifwischen kann eine stumpfe Klinge über die Oberfläche gezogen werden und nicht schneiden, sodass die Winkelkraft mit einer Richtung, die im Allgemeinen durch C-C' dargestellt ist, auf die Außenoberflächen der Zähne 314 einwirkt. Die Winkelrichtung C-C' ist relativ zu der Richtung B-B' mit einem Winkel α angeordnet, der größer als null und kleiner als 90 Grad ist. Als Resultat werden Zähne 314 als gewischte Zähne 314 mit Unterschnitten 318 und Auskragungen 322 ausgebildet. Die Unterschnitte 318 und Auskragungen 322 definieren zusammen Bereiche, an die eine später aufgebrachte Beschichtung an dem Oberflächenabschnitt 320c anhaften kann.
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Das Wischverfahren kann von dem Brünieren unterschieden werden. Das Brünieren kann zum Erzeugen einer glatten, polierten Oberfläche verwendet werden und wird typischerweise mit einer walzenartigen Vorrichtung ausgeführt. Die Rollwalze zermalmt die obere Oberfläche und verformt die Oberflächenschicht zu einer Endform. Das Brünieren kann zu der Bildung von glatten Oberflächen führen, die nicht besonders hilfreich zu Verbesserung der Adhäsionsleistung einer Beschichtungszusammensetzung sind. Dem gegenüber wird der Wischeinsatz nicht gerollt und kann einige Verformung durch Zermalmen der Oberseite des Gewindes bewirken, aber er kann auch Material über die abgeschlossene Oberfläche ziehen, wie ein Schneepflug, und die oberste Schicht der Oberfläche einkerben. Dies ist ein sehr bedeutender Unterschied gegenüber dem Brünieren und wichtig, weil es einen sehr viel besseren Oberflächenabschluss zum Anhaften von hochgeschwindigkeitsgeschmolzenen Partikeln aus dem thermischen Sprühverfahren bereitstellt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, da alle folgenden Prozessparameter reduziert werden können: Verbrauch von Beschichtungsmaterial aufgrund des selektiven zu beschichtenden Oberflächenbereichs, Bearbeitungszeit und Werkzeugkosten. Außerdem und in Bezug auf die Überspritzreinigung, weil die Sprühpistole nicht unterhalb der Unterseite der Bohrung sprüht ist relativ weniger im Kurbelgehäuse zu maskieren und zu reinigen.
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In Bezug auf 2B ist die selektive Aufrauung zumindest dadurch vorteilhaft, dass die nicht aufgerauten oder weniger aufgerauten Abschnitte 230a und 230b als eine Beschichtungsüberspritzabschirmung und -ansammlung dienen können, sodass die Beschichtungsüberspritzung der Umgebung wesentlich reduziert werden kann, denn der Verbrauch von Beschichtungsmaterial und die nachfolgende Reinigung können ein sehr kostspieliges Unterfangen sein.
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Nach dem selektiven Schneiden bei Schritt 102 und Abstreifwischen bei Schritt 104 kann die Zylinderbohrung 210 in Vorbereitung auf die nachfolgenden Beschichtungsanwendungen gereinigt werden. Die Reinigung bei Schritt 108 kann über jedes geeignete Verfahren ausgeführt werden, wie Bürsten, Wassersprühen und/oder Druckluftblasen. Das Ziel der Reinigung besteht in der Entfernung von Metallresten des Schneidens und Abstreifwischens, da Metallreste eine mögliche Ursache eines Adhäsionsversagens sein können.
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Die Längslänge „Hc“ des mittleren zylindrischen Abschnitts 232 kann jeden geeigneten Wert aufweisen und ist im Allgemeinen größer als der Kolbenringweg in der Zylinderbohrung 210.
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Die Längslänge „Ha“ des ersten zylindrischen Endabschnitts 212 kann jeden geeigneten Wert aufweisen. Unter bestimmten Umständen ist ein Längenverhältnis von Ha zu Hc nicht größer als 1:5, 1:10 oder 1:15 und nicht geringer als 1:50, 1:40 oder 1:30.
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Die Längslänge „Hb“ des zweiten zylindrischen Endabschnitts 222 kann jeden geeigneten Wert aufweisen. Unter bestimmten Umständen ist ein Längenverhältnis von Hb zu Hc nicht größer als 1:5, 1:10 oder 1:15 und nicht geringer als 1:50, 1:40 oder 1:30.
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Nach der Reinigung bei Schritt 106 kann die Zylinderbohrung 210 für die nachfolgende Beschichtung bereit sein, die allgemein bei Schritt 110 in 1 dargestellt ist. Wie weiter in 4A dargestellt, kann eine Sprühpistole 408 in dem Hohlraum 250 der Zylinderbohrung 210 aufgenommen werden, wobei Beschichtungsmaterial aus der Sprühpistole 408 in Form eines Sprays 420 austritt. Die Sprühpistole 408 kann die Sprühbeschichtung bei oder in der Nähe der Trennlinie 430 starten, die die Abschnitte 212 und 232 trennt, und kann die Sprühbeschichtung an oder in der Nähe einer Trennlinie 440 beenden, die die Abschnitte 222 und 232 trennt. In diesem Zusammenhang und wie woanders hierin aufgeführt, können die Abschnitte 212 und 222 bei der Abschirmung und Sammlung des Oversprays aus dem Sprühverfahren für den Mittelabschnitt 232 behilflich sein.
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Ein nicht einschränkendes Beispiel der Sprühpistole 408 ist ein Dreh- und axiales Kolbenbrennaggregat. In diesem Zusammenhang bewegt sich das Brennaggregat in der Längsachse der Zylinderbohrung 210 hin und her, oder nach oben und nach unten.
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Zum Aufbringen einer Beschichtung auf den Oberflächenabschnitt 230c des Mittelabschnitts 232 der Zylinderbohrung 210 kann unter Verwendung einer thermischen Sprühpistole das thermische Spritzen verwendet werden, wobei die Pistole zum Sprühen von geschmolzenem Beschichtungsmaterial ausgelegt ist. Allgemein wird die Beschichtung durch Bewegen der thermischen Sprühpistole in Axialrichtung innerhalb der Zylinderbohrung abgegeben, wobei die thermische Sprühpistole gedreht wird. Nach Formen der thermisch gespritzten Beschichtung kann die Oberfläche der Beschichtung durch Honen oder ein anderes Bearbeitungsverfahren abgeschlossen werden.
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Das thermische Spritzen kann in jeder geeigneten Weise ausgeführt werden.
US-Patentschrift 5.622.753 offenbart ein repräsentatives Verfahren des thermischen Spritzens. Wie illustrativ in
4B dargestellt, werden zwei Drähte 410 und 412 in eine drehbare Kolbenwelle 408 eingeführt, sodass die Spitzen 420 davon nah voneinander beabstandet sind, um das Erzeugen eines Bogens zu ermöglichen, durch den ein Gas strömt. Strom kann durch die Drähte 410 und 412 geleitet werden, um den Bogen über den Spitzen 420 zu erzeugen, während druckbeaufschlagtes Gas zwischen den Spitzen 420 durchgeleitet wird, um geschmolzene Tröpfchen aus dem Beschichtungsmaterialeinlass 414 zu sprühen. Die thermische Sprühpistole, die allgemein durch 422 dargestellt ist, weist einen Pistolenkopf 424 auf, der ein Spray 416 aus geschmolzenen Metalltropfen erzeugt. Ein Plasmaerzeugungsgas (wie Luft, Stickstoff oder Argon), möglicherweise mit etwas Wasserstoff gemischt, wird durch den Bogen geleitet, um auf eine Temperatur erwärmt zu werden, die eine Strömung aus heißem, ionisierten, elektrisch leitfähigen Gas erzeugt. Die geschmolzenen Tropfen werden als ein Spray 416 auf die Oberfläche 406 der Zylinderbohrung 404 projiziert.
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Die Welle 408 der thermischen Sprühpistole 422 unterstützt und bewegt den Pistolenkopf 424 zum Beschichten der Innenoberflächen 406 der Zylinderbohrung 404. Der Schaft 408 stützt den Pistolenkopf 424 an einem Ende und weist Kanäle (nicht dargestellt) am anderen Ende auf, um die Drähte und Gase in den Pistolenkopf 424 abzugeben. Die Welle 408 kann durch einen Rotationsantrieb unterstützt werden, sodass die Welle 408 sich um ihre eigene Achse oder eine dazu parallele Achse dreht. Der Rotationsantrieb kann hingegen von einem linearen Quermechanismus oder einer Schiene gestützt werden, die den Rotationsantrieb auf und ab bewegen. Daher bewegt sich der Pistolenkopf 424 auf und ab und ist in der Zylinderbohrung 404 gleichzeitig drehbar. Die thermische Sprühpistole 422 kann sich bei einer gleichförmigen Geschwindigkeit zum Beschichten der Innenoberflächen 406 bewegen, zuweilen mit verschiedenen Durchläufen, um eine gewünschte Dicke der Beschichtung zu erhalten.
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Die zu beschichtenden Artikel können alle geeigneten Objekte zum Beschichten durch eine Sprühpistole sein, wie zum Beispiel zylindrische Motorbohrungen. Die Artikel können Automobilkomponenten oder Nicht-Automobilkomponenten einschließen. Nicht einschränkende Beispiele der Artikel schließen Präzisionsbohrungen in Motoren, Pumpen und Verdichtern ein. Unter bestimmten besonderen Umständen schließen die Artikel Automobilmotorbohrungen ein. Die Zahnabmessungen mit der Breite W, der Höhe H und dem Spalt G können durch Messungen unter Verwendung einer Koordinatenmessmaschine (CMM) erhalten werden. Die CMM kann eine im Handel erhältliche sein, zum Beispiel von Zeiss, Brown und Sharp. Die CMM-Ausrüstung weist einen oder mehrere bewegliche Arme auf, die jeweils mit einer oder mehreren Positionssonden ausgestattet sind. Während der Messung erfassen die Positionssonden die Position jedes einzelnen der angezielten Punkte auf der aufgesprühten Beschichtung und ein Datensatz in Form von Positionswerten auf der X-, Y- und Z-Achse jedes angezielten Punktes wird gesammelt, gespeichert und nachfolgend für den Vergleich verarbeitet.
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Das Oberflächenprofil und damit die Oberflächenrauigkeit kann ferner wahlweise durch die Verwendung einer CMM über den Einsatz optischer Profilometrietechniken erreicht werden, wobei Messungen über verschiedene Techniken wie optische Triangulation, interferentielle Techniken oder andere ausgeführt werden können. Diese Techniken können es ermöglichen, das Oberflächenprofil der Teile ohne Kontakt zu bestimmen. Die optische Profilometrie kann zum Ergänzen der CMM-Techniken verwendet werden, insbesondere in Bereichen, in denen die CMM-Sonden nicht vollständig ausreichen. Diese Bereiche können scharfe Kurven und versteckte Ecken auf einer vorgegebenen Sprühbeschichtung umfassen.
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Durch die allgemeine Beschreibung mehrerer Ausführungsformen dieser Erfindung kann ein weiteres Verständnis durch Bezug auf bestimmte spezifische Beispiele erhalten werden, die hier einzig zum Zweck der Illustration bereitgestellt wird und nicht einschränkend sein soll, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Wischkraftrichtungen
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In diesem Beispiel und wie in 5A bis 5E dargestellt, werden die folgenden Probenparameter verwendet: Zahnhöhe (H) = 200 µm und Zahnspalt (G)=100 µm 2-D plane Dehnung ohne Fehlerkriterien; 25 µm Bogen von der „Rippe“ zur Basis zum Verhindern einer Belastungskonzentration; Umwandlung von 2-D- zu 3-D-Modell unter Verwendung einer herabdrückenden Walze; und 3-D-Modell, das ein Walzeneingleiten verwendet.
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Die Abmessungen, einschließlich der Zahnbreite W, der Zahnhöhe H und des Zahnspaltes G können über die Verwendung einer finiten Elementanalyse (FEA) modelliert und optimiert werden. Die FEA kann durch die Verwendung eines expliziten ABAQUS ausgeführt werden, einem Standard-Universalfinitelementcode, wobei universell verwendete Codes ABAQUS einschließen, der von Dassault Systems Frankreich, NASTRAN, usw. vertrieben wird. Jeder Universalfinitelementcode, der für eine elastisch-plastische große Dehnungsanalyse geeignet ist, wäre geeignet. Ein nicht einschränkendes Beispiel des FEA-Verfahrens findet sich in „Metal Forming and the Finite-Element Method“ von Shiro Kobayashi, Soo-Ik Oh und Taylan Altan, Oxford University Press, 1989.
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Wie in 5B in Bezug auf 5A ersichtlich, wird nach Anwenden von Kraft in einer Richtung, die mit Pfeil „B“ dargestellt wird, die durchschnittliche Höhe der Zähne um ungefähr 15 µm reduziert. Aufgrund der geraden Abwärtskraft, die auf den Zahn ausgeübt wird, zeigt 5C eine typische Form der Verformung mit einer prallen Mitte, ungleich der Form aus 3B. 5D und 5E zeigen die 3-D-Ansichten von 5B bzw. 5C und einen starren Körper, der eine Kraft in Richtung des dargestellten Pfeils ausübt.
6A bis 6C zeigen illustrativ die Zahnverformung bei Anwenden einer Kraft in einer Richtung mit einem Winkel, wie die Richtung Z. In dieser Einstellung dreht sich der starre Körper und fährt in axiale Richtung nach unten, was in einer gemeinsamen Tangentialgeschwindigkeit resultiert. 6C zeigt, dass als Ergebnis der Anwendung der Kraft in Z-Richtung die Zähne eine ähnliche Verformungsform wie die in 3B aufweisen.
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Beispiel 2
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Zahnaspektverhältnis und Verformung
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In diesem Beispiel werden 18 Probenplatten verwendet, die jeweils 3 nacheinander ausgerichtete Zähne aufweisen, wobei die Zahnbreite W, die Zahnhöhe H, Zahnspalt G und die Höhenreduktion R ist. Die Darstellung von W, H und G ist in
3A dargestellt. Die Gruppen 1 bis 3 weisen die gleiche Breite von 150 µm, den gleichen Spalt von 300 µm, die gleiche Höhenreduktion von 30 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Gruppen 4 bis 6 weisen die gleiche Breite von 190 µm, den gleichen Spalt von 380 µm, die gleiche Höhenreduktion von 30 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Gruppen 7 bis 9 weisen die gleiche Breite von 230 µm, den gleichen Spalt von 460 µm, die gleiche Höhenreduktion von 30 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Gruppen 10 bis 12 weisen die gleiche Breite von 150 µm, den gleichen Spalt von 300 µm, die gleiche Höhenreduktion von 60 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Gruppen 13 bis 15 weisen die gleiche Breite von 190 µm, den gleichen Spalt von 380 µm, die gleiche Höhenreduktion von 60 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Gruppen 16 bis 18 weisen die gleiche Breite von 230 µm, den gleichen Spalt von 460 µm, die gleiche Höhenreduktion von 60 µm durch Verformung und variable Werte der Höhe von 120 µm, 160 µm und 200 µm auf. Die Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
| Gruppe | W (µm) | H (µm) | G (µm) | R (µm) |
| 1 | 150 | 120 | 300 | 30 |
| 2 | 150 | 160 | 300 | 30 |
| 3 | 150 | 200 | 300 | 30 |
| 4 | 190 | 120 | 380 | 30 |
| 5 | 190 | 160 | 380 | 30 |
| 6 | 190 | 200 | 380 | 30 |
| 7 | 230 | 120 | 460 | 30 |
| 8 | 230 | 160 | 460 | 30 |
| 9 | 230 | 200 | 460 | 30 |
| 10 | 150 | 120 | 300 | 60 |
| 11 | 150 | 160 | 300 | 60 |
| 12 | 150 | 200 | 300 | 60 |
| 13 | 190 | 120 | 380 | 60 |
| 14 | 190 | 160 | 380 | 60 |
| 15 | 190 | 200 | 380 | 60 |
| 16 | 230 | 120 | 460 | 60 |
| 17 | 230 | 160 | 460 | 60 |
| 18 | 230 | 200 | 460 | 60 |
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Wie in
3A und
3B dargestellt, weist der Zahn eine obere Breite Wt, eine untere Breite Wb, einen oberen Spalt Gt, mit dem die Zähne in Bezug auf den benachbarten Zahn beabstandet sind, und einen unteren Spalt Gb auf. Die Veränderungen des Wert von Wt und Gt für die Gruppen 1 bis 18 sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Veränderungen des Werts von Wb und Gb für die Gruppen 1 bis 18 sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 2
| Gruppe | Vor dem Abstreifwischen | Nach dem Abstreifwischen |
| Wt1 (µm ) | Gt1 (µm) | Insgesamt (µm) | Wt2 (µm ) | Gt2 (µm ) | Insgesamt (µm ) |
| 1 | 150 | 300 | 450 | 215 | 222 | 437 |
| 2 | 150 | 300 | 450 | 208 | 228 | 435 |
| 3 | 150 | 300 | 450 | 205 | 231 | 436 |
| 4 | 190 | 380 | 570 | 259 | 295 | 554 |
| 5 | 190 | 380 | 570 | 252 | 302 | 554 |
| 6 | 190 | 380 | 570 | 248 | 306 | 554 |
| 7 | 230 | 460 | 690 | 306 | 363 | 669 |
| 8 | 230 | 460 | 690 | 297 | 372 | 668 |
| 9 | 230 | 460 | 690 | 292 | 379 | 671 |
| 10 | 150 | 300 | 450 | 294 | 155 | 449 |
| 11 | 150 | 300 | 450 | 283 | 167 | 451 |
| 12 | 150 | 300 | 450 | 271 | 166 | 437 |
| 13 | 190 | 380 | 570 | 356 | 211 | 568 |
| 14 | 190 | 380 | 570 | 342 | 227 | 569 |
| 15 | 190 | 380 | 570 | 326 | 228 | 554 |
| 16 | 230 | 460 | 690 | 392 | 291 | 682 |
| 17 | 230 | 460 | 690 | 377 | 304 | 682 |
| 18 | 230 | 460 | 690 | 366 | 312 | 678 |
Tabelle 3
| Gruppe | Vor dem Abstreifwischen | Nach dem Abstreifwischen |
| Wb1 (µm ) | Gb1 (µm ) | Insgesamt (µm ) | Wb2 (µm ) | Gb2 (µm ) | Insgesamt (µm ) |
| 1 | 150 | 300 | 450 | 159 | 279 | 437 |
| 2 | 150 | 300 | 450 | 148 | 288 | 436 |
| 3 | 150 | 300 | 450 | 148 | 288 | 436 |
| 4 | 190 | 380 | 570 | 207 | 348 | 554 |
| 5 | 190 | 380 | 570 | 193 | 360 | 553 |
| 6 | 190 | 380 | 570 | 188 | 366 | 553 |
| 7 | 230 | 460 | 690 | 252 | 417 | 669 |
| 8 | 230 | 460 | 690 | 238 | 432 | 670 |
| 9 | 230 | 460 | 690 | 228 | 441 | 669 |
| 10 | 150 | 300 | 450 | 195 | 239 | 434 |
| 11 | 150 | 300 | 450 | 156 | 293 | 448 |
| 12 | 150 | 300 | 450 | 148 | 289 | 437 |
| 13 | 190 | 380 | 570 | 252 | 319 | 571 |
| 14 | 190 | 380 | 570 | 208 | 362 | 570 |
| 15 | 190 | 380 | 570 | 191 | 361 | 553 |
| 16 | 230 | 460 | 690 | 191 | 413 | 704 |
| 17 | 230 | 460 | 690 | 253 | 423 | 676 |
| 18 | 230 | 460 | 690 | 238 | 434 | 672 |
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Beispiel 3
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Adhäsionsprüfung auf der selektiven Bereichsbeschichtung
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7 zeigt die Beschichtungsadhäsionsstärke als Vergleich von einer Probenbohrung mit quadratischen Einschnitten und einer Probenbohrung mit quadratischen Einschnitten und darauffolgendem Abstreifwischen. Diese Probenbohrungen weisen alle eine axiale Länge eines ersten Endabschnitts von 5 mm, eine kombinierte axiale Länge von 100 mm einschließlich des ersten Endabschnitts und Mittelabschnitts und einen Durchmesser von 82 mm des Mittelabschnitts auf. Jede Gruppe weist 4 Bohrungen mit den in Tabelle 4 aufgeführten Parametern auf. Tabelle 4
| H (mm) | W (mm) | G (mm) | R (mm) |
| 120 | 200 | 300 | 30 |
| 180 | 100 | 400 | 30 |
| 180 | 200 | 300 | 30 |
| 120 | 100 | 400 | 30 |
| 180 | 200 | 300 | 0 |
| 120 | 100 | 400 | 0 |
| 120 | 200 | 300 | 0 |
| 180 | 100 | 400 | 0 |
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Wie aus dem in 7 angegebenen Adhäsionsstärkenwert führt das quadratische Einschneiden in Kombination mit dem Abstreifwischen zu einer sehr viel besseren Adhäsion des Beschichtungsmaterials auf der Bohrung.
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Wenngleich die beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, wird der Fachmann des Gebiets, zu dem diese Erfindung gehört, verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung gemäß den Definitionen in den folgenden Ansprüchen erkennen.
