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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche, bei dem eine auf eine Innenwand eines Zylinders eines Verbrennungsmotors aufgebrachte und die Zylinderlauffläche bildende Beschichtung gehont wird.
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Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen können aus Gewichtsgründen mit einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, ausgestattet werden. Problematisch daran ist jedoch, dass die Innenwände der Zylinder des Zylinderkurbelgehäuses aus Leichtmetall wegen der tribologischen Eigenschaften des Leichtmetalls, insbesondere der vergleichsweise schlechten Verschleißfestigkeit, nur unzureichend als Laufflächen für die Kolben geeignet sind.
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Um diese Problematik zu vermeiden, werden in vielen Verbrennungsmotoren mit einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall Laufbuchsen aus z. B. Grauguss eingesetzt, wodurch die Vorteile des Leichtmetalls (geringes spezifisches Gewicht) mit denjenigen des Graugusses (gute tribologische Eigenschaften) kombiniert werden können.
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Alternativ dazu ist es bekannt, eine Beschichtung auf die Laufflächen der Zylinder aufzutragen, die die gewünschten tribologischen Eigenschaften für die Laufflächen bereitstellt und besonders verschleißbeständig bzw. hart ist. Die Beschichtungsoberfläche stellt die Lauffläche des Zylinders dar, die mit dem Kolben ein tribologisches System bildet und die deshalb besonderen Anforderungen im Hinblick auf ihre Oberflächenbeschaffenheit und ihre Geometrie gerecht werden muss.
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Aus diesem Grund wird die verschleißbeständige Beschichtung nach ihrem Aufbringen auf der Innenwand des Zylinders regelmäßig noch mechanisch nachbearbeitet. Hierdurch wird eine durch das Beschichtungsverfahren bedingte unzureichende Rundheit der beschichteten Zylinderinnenwand beseitigt, und der Verlauf und die Lage des Zylinders werden exakt ausgeformt und an die Geometrie und Lage des zugehörigen Kolbens angepasst. Zum anderen wird die Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung im Hinblick auf die Reibung zwischen Beschichtung und Kolben vorzugsweise unter Aufrechterhaltung eines Ölfilms dazwischen optimiert. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die mechanische Bearbeitung der Beschichtung vergleichsweise schonend erfolgt, um ein Ablösen der Beschichtung von der Zylinderinnenwand bzw. deren Beschädigung zu vermeiden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Beschichtung zu diesem Zweck zunächst mit einem Drehmeißel vorzuspindeln und anschließend zu honen. Das Spindeln erfolgt mit einer geometrisch bestimmten Schneide und dient der Ausformung der Geometrie und exakten Lage des beschichteten Zylinders im Zylinderkurbelgehäuse. Durch das Drehen der Spindel und gleichzeitiges Vorschieben wird mittels eines Schneidewerkzeugs die Zylinderbohrung von innen ausgedreht und dadurch gleichzeitig exakt das Zentrum des Zylinders festgelegt.
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Anschließend wird die Zylinderwand regelmäßig gehont. Beim Honen wird die rotierende und schwimmend gelagerte Honahle mit den die Schneidbeläge aufweisenden Honleisten entlang der Längsachse oszillierend durch den Zylinder bewegt. Zwischen Werkzeug und Werkstück findet also ein ständiger Richtungswechsel in Längsrichtung des Zylinders statt. Die Bewegung des Werkzeugs besteht in der Überlagerung einer Dreh-, Hub- und Zustellbewegung. Hierdurch ergibt sich ein charakteristisches Kreuzmuster (Kreuzschliff) an der Zylinderlauffläche mit Schnittspuren, die sich unter einem bestimmten Winkel schneiden. Damit sich die Mittelachse des Zylinders und die Werkzeugachse durch eine radiale Zustellbewegung der Honleisten zueinander ausrichten können, müssen hier dem System aus Zylinder und Werkzeug entsprechende Freiheitsgrade gegeben werden. Die Längserstreckung der Honleisten beträgt dabei mehr als zwei Drittel der Längsabmessung des Zylinders.
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Falls erforderlich, können zunächst ein Schrupphonvorgang und anschließend ein Feinhonvorgang vorgenommen werden, der die Endbearbeitung der Lauffläche darstellt.
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Die absolute Lage der Zylindermittelachse kann durch das Honen aufgrund der schwimmenden Lagerung des Werkzeugs allerdings nicht eingestellt werden, so dass im Regelfall der vorhergehende Spindelvorgang erforderlich ist. Die Kombination aus Spindeln und Honen ist allerdings besonders teuer und aufwändig.
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Aus diesem Grund wurde das sogenannte „Positionshonen” entwickelt, durch das neben der Maß- und Formgenauigkeit der Zylinderbohrung auch deren Lage eingestellt werden kann. Hierzu sind eine steife Spindelausführung und eine feste Aufspannung des Zylinderkurbelgehäuses erforderlich. Auch das Positionshonen ist allerdings aufgrund der vergleichsweise langen Bearbeitungszeiten relativ teuer und aufwändig.
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Endbearbeitung der auf eine Zylinderinnenwand aufgetragenen Beschichtung bereitzustellen, das schnell und zuverlässig ist und gleichzeitig eine Beschädigung der Beschichtung vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Weiterbildung des eingangs beschriebenen Bearbeitungsverfahrens gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschichtung vor dem Honen geschliffen wird. Dabei wird überschüssiges Beschichtungsmaterial mithilfe eines rotierenden und sowohl axial als auch radial beweglichen Schleifwerkzeugs in Form eines Schleifsteins mit geometrisch unbestimmter Schneide abgetragen.
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Damit kann erfindungsgemäß auf einen Spindelvorgang unter Verwendung einer geometrisch bestimmten Schneide verzichtet werden, da bereits durch den Schleifvorgang nicht nur die Form- und Maßgenauigkeit der beschichteten Zylinderinnenwand, sondern auch deren absolute Lage exakt eingestellt werden kann. Beim Schleifen wird die Beschichtungsoberfläche mit einem rotierenden Schleifstein mit einer geometrisch unbestimmten Schneide abgefahren und dabei schleifend bearbeitet, wobei der Schleifstein nicht schwimmend gelagert, sondern an einer steifen Spindel angebracht sein kann. Der Schleifstein bearbeitet die Beschichtungsoberfläche entlang einer vorgegebenen Bahn, wobei der Schleifstein (anders als die Honahle) beim Schleifen nicht nur in der Längsrichtung des Zylinders, sondern auch in dessen Radialebene bewegbar ist, da der Durchmesser des Schleifsteins kleiner ist als der Durchmesser des Zylinders.
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Vorzugsweise beträgt die Abmessung des Schleifsteins in Längsrichtung des Zylinders weniger als 10 cm, insbesondere weniger als 5 cm, insbesondere zwischen 1 cm und 3 cm, da auf diese Weise die Beschichtungsoberfläche für eine ggf. zunächst erforderliche Grobbearbeitung auch nur lokal bzw. bereichsweise bearbeitet werden kann und ferner höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht werden.
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Anders als beim Spindeln entsteht beim Schleifen kein unterbrochener Schnitt, so dass das Bearbeitungsergebnis optimiert werden kann. Anders als beim Honen ist beim Schleifen auch eine lokale Bearbeitung der Beschichtungsoberfläche möglich. Ferner kann nicht nur das Maß- und die Gesamtform, sondern auch die absolute Lage des Zylinderzentrums bzw. der Mittelachse des Zylinders eingestellt werden. Im Übrigen sind beim Schleifen höhere Drehzahlen, höhere Schnittgeschwindigkeiten (bis hin zu mehreren 100 m/min) und damit eine schnellere Bearbeitung des Werkstücks möglich als beim Honen.
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Durch das Schleifen werden die endgültige Lage der Mittelachse des Zylinders und eine annähernd perfekte Kreisform des Zylinders ausgeformt. Durch einen sich anschließenden Honvorgang, insbesondere einen Feinhonvorgang, wird der erforderliche Kreuzschliff in die Beschichtungsoberfläche eingebracht und die Kreisform noch weiter optimiert.
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Der Schleifstein kann Korund als abrasives Medium aufweisen. Vorzugsweise weist er jedoch CBN (kubisches Bornitrid) oder Diamant als abrasives Medium auf, da in diesem Fall ggf. auf einen Abrichter verzichtet werden kann.
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Die Beschichtung kann durch Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs und Aufspritzen auf der Zylinderwand realisiert werden. Vorzugsweise wird die Beschichtung vor dem Schleifen in einem thermischen Spritzverfahren wie etwa Lichtbogendrahtspritzen und/oder Plasmabeschichten auf der Innenwand des Zylinders aufgebracht. Dabei kann ein rotierend angetriebener Spritzkopf entlang der Längsachse des Zylinders 2 verfahren werden, und das aufgeschmolzene Beschichtungsmaterial kann dabei auf der Zylinderinnenwand aufgebracht werden und – nach dem Aushärten – die gewünschte formschlüssige Verbindung mit der Zylinderwand ausbilden.
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Wie bereits oben angedeutet, ist eine gute Haftung der Beschichtung auf der Innenwand des Zylinders besonders wichtig. Die Beschichtung ist nämlich nicht nur bei dem späteren Betrieb des Kraftfahrzeugs, sondern insbesondere auch bei dem erfindungsgemäßen Schleifvorgang besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. In jedem Fall muss verhindert werden, dass sich die Beschichtung durch die Bearbeitung mit dem Schleifstein von der Zylinderinnenwand löst. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Innenwand des Zylinders vor dem Aufbringen der Beschichtung aktiviert wird.
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Die Aktivierung kann auf unterschiedliche Art und Weise vorgenommen werden, wobei sich eine Aktivierung unter Verwendung eines Rollierwerkzeugs, das die Zylinderinnenwand verformend bearbeitet, als besonders einfach und wirksam im Hinblick auf gute Haftungseigenschaften erwiesen hat.
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Die Haftungseigenschaften werden insbesondere durch eine Erhöhung der Kontaktfläche zwischen der Beschichtung und der darunterliegenden Zylinderinnenwand verbessert. Deshalb kann die Zylinderinnenwand vor dem Beschichten aufgeraut werden. Eine solche Aufrauung kann durch von einer Rollierrolle des Rollierwerkzeugs vorstehende Erhebungen oder Vorsprünge bereitgestellt werden. Mit anderen Worten wird zum Rollieren der Zylinderinnenwand ein Rollierwerkzeug verwendet, bei dem zumindest eine Rollierrolle eine Anlagefläche zur Anlage an dem Werkstück mit einem Aufrauungsabschnitt mit bzgl. der Rollenachse radial nach außen vorstehenden Erhebungen aufweist. In diesem Zusammenhang wird auf die
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 018 899.7 verwiesen, deren Angaben hinsichtlich des Aufbaus des Rollierwerkzeugs durch Verweis in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
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Vielfach wurde auch bereits versucht, Hinterschnitte in der Zylinderinnenwand auszubilden, in die der aufgeschmolzene Werkstoff der Beschichtung eindringen kann, um nach dem Aushärten eine formschlüssige Verbindung zwischen den Schichten zu realisieren. In diesem Zusammenhang wird auf die
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 011 726.7 verwiesen, deren Angaben hinsichtlich der Herstellung der Hinterschnitte an der Zylinderinnenwand durch Verweis in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
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Im Hinblick auf die Optimierung der Haftungseigenschaften der Zylinderinnenwand vor der Beschichtung hat sich das folgende Verfahren als besonders zweckmäßig erwiesen: Umlaufende Nuten werden in die Innenwand des Zylinders eingebracht; die zwischen den Nuten ausgebildeten Vorsprünge werden mit einem Rollierwerkzeug derart plastisch umgeformt, dass sie Hinterschnitte ausbilden, wobei mindestens eine Rollierrolle des Rollierwerkzeugs Erhebungen zum Aufrauen der Werkstückoberfläche aufweist, wobei die Scheitelflächen der Vorsprünge durch die Erhebungen der Rollierrolle aufgeraut werden. Mit anderen Worten werden in die Innenwand des Zylinders eingebrachte Nuten mithilfe des Rollierwerkzeugs zur Bildung von Hinterschneidungen plastisch umgeformt. In diesem Zusammenhang wird wiederum auf die
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 018 899.7 verwiesen, deren Angaben hinsichtlich dieses Aktivierungsverfahrens durch Verweis in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
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Da die Beschichtung beim Aufbringen sowohl in die umgeformten Nuten als auch in die Vertiefungen der aufgerauten Wandoberfläche eindringt, wird sie beim Aushärten besonders fest an der Zylinderinnenwand verankert und löst sich auch bei einem Schleifvorgang nicht von der Zylinderinnenwand ab.
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Der Schleifvorgang erfolgt dabei nicht notwendigerweise mit einer Schleifmaschine. Vielmehr hat es sich im Hinblick auf eine schnelle und kostengünstige Bearbeitung der Beschichtungsoberfläche als zweckmäßig erwiesen, die Beschichtung unter Verwendung eines Bearbeitungszentrums, insbesondere einer Fräsmaschine, zu schleifen. Da nämlich anschließend ohnehin noch eine Feinbearbeitung der Beschichtung durch Honen erfolgt, ist die durch eine Schleifmaschine gegenüber einer Fräsmaschine bereitgestellte zusätzliche Bearbeitungsgenauigkeit nicht notwendigerweise erforderlich.
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Andererseits wird für das Honen vorzugsweise eine Honmaschine verwendet, die die an den Umkehrpunkten der in Zylinderlängsrichtung oszillierenden Honahle erforderlichen Werkzeugbeschleunigungen zuverlässiger bereitstellen kann.
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Im Hinblick auf ein optimales Bearbeitungsergebnis der Zylinderlauffläche beim Schleifvorgang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass beim Schleifen ein rotierender Schleifstein entlang einer im Wesentlichen schraubenlinienförmig bzw. helixförmig um die Längsachse des Zylinders verlaufenden Bahn durch den Zylinder gefahren wird und dabei überschüssiges Beschichtungsmaterial abträgt. Wenn der Schleifstein am anderen Ende der Zylinderlauffläche in Längsrichtung des Zylinders angekommen ist, kann er wiederum entlang einer schraubenlinienförmigen Bahn zurück zum ersten Ende der Zylinderlauffläche gefahren werden, etc. An den Umkehrpunkten ist eine Zustellung des Schleifsteins in der Radialebene des Zylinders möglich, bis das gewünschte Endmaß sowie die gewünschte Endlage der beschichteten Zylinderbohrung erreicht ist. Der Durchmesser des Schleifsteins bzw. der Schleifscheibe ist dabei kleiner als der Durchmesser des Zylinders, so dass ein Verfahren der im Zylinder rotierenden Schleifscheibe innerhalb der Radialebene des Zylinders möglich ist.
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Vorzugsweise wird zum Schleifen ein Schleifstein verwendet, dessen Durchmesser größer ist als der halbe Zylinderdurchmesser und kleiner ist als 5/6 des Zylinderdurchmessers, insbesondere größer ist als 2/3 und kleiner ist als 3/4 des Zylinderdurchmessers. Ein solcher Schleifsteindurchmesser stellt einen guten Kompromiss zwischen schneller, aber gleichzeitig ausreichend genauer Bearbeitung der Beschichtungsoberfläche bereit.
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Wie bereits erläutert, wird beim Honen die rotierende Honahle in Längsrichtung des Zylinders oszillierend hin und herbewegt, wobei der Durchmesser der Honahle im Wesentlichen dem Durchmesser der beschichteten und geschliffenen Zylinderbohrung entspricht. Vorzugsweise wird eine herkömmliche, für das Feinhonen eingerichtete Honahle verwendet. Die Schnittgeschwindigkeit ist beim Honen wesentlich geringer als beim Schleifen.
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In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm, das die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
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Zunächst wird ein Zylinderkurbelgehäuse mit mindestens einer Zylinderbohrung mit einer Innenwand bereitgestellt (S10). Das Zylinderkurbelgehäuse einschließlich der Zylinderinnenwand kann aus einem Leichtmetall wie etwa Aluminium bestehen.
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Anschließend wird die Innenwand aktiviert (S20). Dazu können Nuten in die Innenwand eingebracht werden, so dass die Kontaktfläche zwischen der Innenwand und der daran anzubringenden Beschichtung im Hinblick auf eine bessere Haftung der Beschichtung vergrößert wird. Bspw. mithilfe eines Rollierwerkzeugs können zwischen den Nuten angeordnete Stege zum Ausbilden von Hinterschneidungen geplättet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Innenwand bzw. können die Scheitelflächen der Stege aufgeraut werden. Die Aufrauung kann bspw. mittels eines Rollierwerkzeugs mit Vorsprünge aufweisenden Rollierrollen erfolgen.
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Anschließend wird die aktivierte Innenwand mit der verschleißbeständigen Beschichtung versehen (S30). Besonders vorteilhaft ist ein thermisches Spritzverfahren wie etwa Lichtbogendrahtspritzen und/oder Plasmabeschichten, bei dem der Beschichtungsstoff auch in die Nuten und/oder Vertiefungen der aufgerauten Innenwand eindringt und sich dort verankert.
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Anschließend wird die Beschichtung mit einem Schleifstein geschliffen (S40). Dies ist erforderlich, um die gewünschte Lage, das Maß und die Form (vorzugsweise kreisrund) der beschichteten Zylinderbohrung auszuformen. Dabei kann der schnell rotierende Schleifstein entlang einer helixförmigen Bahn durch die beschichtete Zylinderbohrung gefahren werden und dabei Beschichtungsmaterial abtragen. Mehrere schraubenlinienförmige Durchläufe des Schleifsteins durch die Zylinderbohrung sind möglich, wobei zwischen den Durchläufen jeweils ein Zustellen der radialen Position des Schleifsteins erfolgen kann. Der Durchmesser des Schleifsteins (bspw. etwa 60 mm) kann vorteilhafterweise etwa 3/4 des Zylinderdurchmessers (bspw. etwa 80 mm) betragen. Die Schlaglänge der helixförmigen Bahn sollte dabei etwa der Abmessung des Schleifsteins in Zylinderlängsrichtung (bspw. zwischen 1 cm und 3 cm) entsprechen, so dass im Wesentlichen die gesamte die Lauffläche bildende Zylinderinnenfläche beim Durchlaufen einer Helixbahn einmal durch den Schleifstein bearbeitet wird. Der Schleifvorgang kann in einem Bearbeitungszentrum vorgenommen werden.
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Aufgrund der vorherigen Aktivierung der Zylinderinnenwand droht auch bei dem mechanisch besonders stark beanspruchenden Schleifvorgang keine Beschädigung bzw. kein Ablösen der Beschichtung von der Zylinderinnenwand.
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Zuletzt wird die Beschichtung einem Honvorgang, vorzugsweise einem Feinhonvorgang, unterzogen (S50). Hierdurch wird die Form der beschichteten Zylinderbohrung exakt kreisrund ausgeformt und der charakteristische Kreuzschliff wird ausgebildet. Beim Honen oszilliert das schwimmend gelagerte Werkzeug etwa um die Mitte des Zylinders in Längsrichtung und rotiert dabei bei vergleichsweise langsamer Schnittgeschwindigkeit.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist jedenfalls die Schritte S40 und S50, optional auch einen oder mehrere der übrigen dargestellten Schritte auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013018899 [0021, 0023]
- DE 102013011726 [0022]
