DE102015210359A1

DE102015210359A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Vertiefungsmusters in der Reibfläche eines Reibelements sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Reibelement

Info

Publication number: DE102015210359A1
Application number: DE102015210359.5A
Authority: DE
Inventors: Joerg Steven Berkefeld; Daniel Szczepanski
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Vertiefungsmusters (5) in einer Reibfläche (3) eines belaglosen Reibelementes (4) für eine trockenlaufende, reibschlüssig arbeitende Kraftübertragungseinrichtung. Hierzu wird das Vertiefungsmuster (5) durch Abtragen mittels einer Laserstrahlung (2) erzeugt, die mittels eines beweglichen Scanners (1) auf die Reibfläche (3) abgelenkt wird. Dabei führt der hohe Energieeintrag bezogen auf einen geringen Fokusdurchmesser des Fokuspunktes (6) zu einem Sublimationsabtrag mit sehr hohen Abtragsraten. Gleichzeitig kommt es zu der Ausbildung amorpher Schichten, die eine Gratbildung verhindern und Aufwürfe an den Kanten des Vertiefungsmusters (5) wesentlich vermindern, sodass keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Vertiefungsmusters in der Reibfläche eines belaglosen Reibelementes für eine trockenlaufende reibschlüssig arbeitende Kraftübertragungseinrichtung, insbesondere eine Kupplung oder Lamellenbremse, bei dem das Vertiefungsmuster durch Abtragen mittels eines Laserstrahles erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Reibelement für eine reibschlüssig arbeitende Kraftübertragungseinrichtung, das eine Reibfläche aufweist, in der ein Vertiefungsmuster vorgesehen ist.
Es sind aus dem Stand der Technik trockenlaufende Kupplungen bzw. Doppelkupplungen bekannt, wo je eine mit einem Reibbelag versehene Kupplungsscheibe zwischen zwei belaglosen Reibgegenparts verspannt wird, typischerweise zwischen einer Anpressplatte und einer Gegendruckplatte, bzw. einer Zwischenplatte. Die Profilierung des Reibgegenparts d. h. des belaglosen Reibelements, in trockenlaufenden Kupplungen hat einen Einfluss auf ihr tribologisches Verhalten. Der Ausdruck „belaglos“ ist so zu verstehen, dass dessen Reibfläche nicht mit einem Reibbelag versehen ist, sie kann aber mit einer Form Beschichtung versehen werden. Sie dient u. A. dem Austrag von entstehenden Verschleißpartikeln aus dem Reibkontakt, dem Entfernen von Reibzwischenschichten auf dem Reibbelag sowie der Deformation des Reibbelags und optimiert so das tribologische Verhalten. Die Profilierung erfolgt zum jetzigen Zeitpunkt über spanende Fertigungsverfahren, insbesondere dem Drehverfahren. Solche Fertigungsverfahren erlauben aber nur eingeschränkte Profilgebung und weisen weiterhin hohe Prozesszeiten, Verschleiß der Werkzeug etc. auf.
Mit Hilfe alternativer Oberflächenprofilierungen des Reibgegenparts ließe sich das tribologische Verhalten optimieren. Dafür ist eine gleichmäßige, gerichtete, makroskopische Profilierung notwendig, die jedoch den Einsatz anderer mechanischer Bearbeitungsverfahren z. B. Fräsen erfordert, mit denen die Bearbeitung nicht mehr wirtschaftlich durchführbar ist. Das liegt neben hohen Bearbeitungszeiten auch daran, dass bei mechanisch gefertigten Profilierungen eine Nachbearbeitung erforderlich sein kann, um die durch den spanenden Prozess entstehenden Grate zu entfernen. Diese Grate können sich bei Nichtentfernung negativ auf das tribologische Verhalten auswirken.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Reiblamellen für nasslaufende Lamellenkupplungen bekannt, die sich im Wesentlichen aus einem Reibbelagträger und einem ein- oder beidseitig auf dem Reibbelagträger angebrachten Reibbelag zusammensetzen. In Reibflächen des Reibbelags sind Vertiefungen oder Nuten vorgesehen, um das Reibverhalten, die Lebensdauer und das Schleppmomentverhalten der Reiblamellen positiv zu beeinflussen.
Um das genannte Vertiefungs- oder Nutmuster des Reibbelags zu erzielen, kommen in der Praxis unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. So ist hierbei zunächst das Prägen des Reibbelages zu erwähnen. Bei diesem klassischen Umformverfahren wird ein Werkzeug mit der Negativform des Vertiefungs- oder Nutmusters gegen den Reibbelag gepresst, um entsprechende Vertiefungen oder Nuten innerhalb der Reibfläche des Reibbelages zu erzeugen. Neben dem Umformverfahren des Prägens kommen auch klassische Trennverfahren, nämlich das Fräsen und Schleifen, zur Erzeugung von Vertiefungs- und Nutmustern in der Reibfläche zum Einsatz, wobei durch Fräsen erzeugte Vertiefungsmuster hinsichtlich der Nuttiefe starken Schwankungen unterliegen. Darüber hinaus führt das Fräsen zu einem relativ starken Materialaufwurf an der Nutkante, der einen Einfluss auf das Verhalten der Reibfläche während des Betriebes haben kann. So kann dieser Materialaufwurf beispielsweise während des Betriebes abgerieben werden. Um nach dem Erzeugen des Vertiefungsmusters durch Abtragen eine aufwendige Reinigung des Reibelementes entbehrlich zu machen, wird das Vertiefungsmuster bzw. Nutmuster vorzugsweise berührungslos abgetragen. Zu diesem berührungslosen Abtragen kann beispielsweise das funkenerosive Abtragen oder das Abtragen mittels Laserstrahlung zählen.
Aus der DE 10 2010 025 403 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Reibbelages für eine nasslaufende Reibungskupplung mit einem auf einem Trägerblech verpressten Belagmaterial bekannt, das mittels eines Lasers verdampft wird.
Aus der DE 10 2011 106 009 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Vertiefungsmusters in der Reibfläche eines Reibbelags einer nasslaufenden Lamellenkupplung oder -bremse bekannt, bei dem die Vertiefungen langgestreckt ausgebildet sind und mittels eines Laserstrahles eingebracht werden. So kann mittels des Laserstrahles eine besonders große Tiefe der Vertiefungen oder Nuten des Vertiefungs- oder Nutmusters erzielt und die Nutkante besonders genau gefertigt werden.
Die WO 2013/060313 A1 betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer metallischen Reibfläche für nasslaufende Anwendungen, bei dem die metallische Reibfläche mit einem Laser bearbeitet wird, wobei definierte oder undefinierte Strukturen und Texturen in die metallische Reibfläche eingebracht werden.
Ferner beschreibt die WO 96/33837 A1 ein Verfahren zur Oberflächenvorbereitung eines Werkstückes mit einem metallischen Trägermaterial, bei dem ein oberflächliches Aufschmelzen vorgenommen wird, um anhaftende Schichten zu beseitigen, indem diese beispielsweise verdampft werden.
Diese bekannten Verfahren zur Laserprofilierungen für nasslaufende Kupplungen erzeugen wesentlich geringe Abträge. Bei den nasslaufenden Kupplungen befindet sich im Gegensatz zu trockenlaufenden Kupplungen Öl als Medium im Reibkontakt, dessen Kinetik durch die Profilierungen beeinflusst werden soll. Bei trockenlaufenden Kupplungen gibt es dieses Medium nicht und die Profilierungen sind für wesentlich andere tribologische Vorgänge notwendig und müssen dementsprechend auch in wesentlich anderen Dimensionen ausgeführt sein. Weil die Anforderungen an die Reibflächen der trockenlaufenden Reibübertragungseinrichtungen komplett unterschiedlich von denen an die nasslaufenden sind, sind die bekannten Verfahren zur Laserprofilierungen für nasslaufende Kupplungen nicht für die trockenlaufenden verwendbar.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass eine schnelle und effiziente Bearbeitung durchführbar ist und Nachbearbeitungen des Maschinenelementes entbehrlich sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit dem Verfahren herstellbares verbessertes Reibelement.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Vertiefungsmuster durch Abtragen mittels einer Laserstrahlung erzeugt wird. Dadurch können im Hinblick auf die Funktion des belaglosen Reibelementes optimal gestaltete und frei wählbare Vertiefungsmuster eingebracht werden. Im Gegensatz zum mechanischem Bearbeiten ist das Verfahren mit Laserstrahlung deutlich schneller und somit effizienter in Punkto Wirtschaftlichkeit und Massenproduktionstauglichkeit. Die verwendete Technik erlaubt den für die entsprechenden Profile notwendigen Sublimationsabtrag mit sehr hohen Abtragsraten, den konventionelle Laser oder andere Prozesse nur in viel längeren Prozesszeiten erreichen. Außerdem werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und den Sublimationsabtrag amorphe Schichten hergestellt, die keine negative Gratbildung und Nachbearbeitung mit sich bringen, wie sie bei vergleichbaren mechanischen oder Laserbearbeitungen zur Herstellung der genannten Profildimensionen auftreten. Dadurch lässt sich sowohl das allgemeine tribologische Verhalten als auch das Einlaufverhalten des Reibelementes verbessern. Vorteilhafterweise wird ein Singlemode-Laser verwendet.
Die Laserstrahlung eines Lasers kann vorteilhaft mit einer Leistung von mehr als 800 W, einer Vorschubgeschwindigkeit eines Fokuspunktes der Laserstrahlung relativ zu der Reibfläche zwischen 1 m/s und 2.500 m/s und/oder einem Fokusdurchmesser des Fokuspunktes auf der Reibfläche von weniger als 100 μm auf die Reibfläche des Reibelementes gerichtet wird. Hierdurch wird ein Energieeintrag in das Reibelement erreicht, wobei durch ein explosionsartiges Verdampfen zumindest eines Teiles der erzeugten Schmelze diese mit hoher Geschwindigkeit und zugleich kontrolliert entfernt wird. Im Gegensatz dazu führt beim Stand der Technik der geringere Energieeintrag dazu, dass die Schmelze durch zusätzliche Hilfsmittel entfernt werden muss. Durch die hohe Vorschubgeschwindigkeit verlässt die Schmelze in einem einstellbaren Winkel entgegengesetzt zu der Wirkrichtung der Laserstrahlung die so erzeugte Ausnehmung. Erfindungsgemäß wird hierzu ein fokussierter Laserstrahl mit vergleichsweise hoher Leistung und einer hohen Mindestvorschubgeschwindigkeit relativ über die mit den Ausnehmungen zu versehende Oberfläche bewegt, sodass der Werkstoff des Reibelementes im Bereich des Fokuspunktes des Laserstrahles explosionsartig sublimiert und die Oberfläche dadurch partiell aufreißt oder gefurcht wird. Im Gegensatz zum bloßen Aufschmelzen der Oberfläche wird durch das explosionsartige Sublimieren das Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Fokuspunkt der Laserstrahlung vermieden. Durch die explosionsartige Sublimation des Werkstoffes wird die Oberfläche zusätzlich gereinigt, da oberflächliche Verschmutzungen und Oxide ebenfalls sublimieren oder durch die kinetische Energie des explodierenden Plasmas weggeschleudert werden.
Dabei wird der Laserstrahl auf einen vergleichsweise kleinen Punkt auf der Oberfläche fokussiert. Ein vorteilhafter Fokusdurchmesser des Fokuspunktes auf der Reibfläche ist daher nicht größer als 75 μm und liegt insbesondere bei ca. 50 μm.
Bei dem durch die Ausnehmungen gebildeten Vertiefungsmuster können Linien mit einem geringen Abstand erzeugt werden. Hierzu werden die Ausnehmungen mit einer Tiefe von zumindest 20 μm in die Reibfläche, und mit einer Breite von zumindest 200 μm in die Oberfläche eingebracht. Hierdurch kann die Liniendichte wesentlich erhöht werden, wobei auf einer Breite von nur einem Millimeter zwischen 3 und 20 linienförmige Ausnehmungen realisiert werden können.
Die Leistung ist abhängig von den Materialeigenschaften des Reibelementes, wobei die Laserstrahlung vorzugsweise mit einer Leistung von 800 W bis 3.000 W bezogen auf eine Fläche von 0,01 mm² eingebracht wird.
Bei einem Werkstoff, der im Wesentlichen aus einem Stahlwerkstoff oder Grauguss besteht, wird der Laser vorzugsweise mit einer Leistung von mehr als 2.000 W bezogen auf eine Fläche von 0,01 mm² betrieben. Dabei kann die Laserleistung im Hinblick auf die Vorschubgeschwindigkeit sowie die Werkstoffbeschaffenheit und den Absorptionsgrad der Oberfläche der Reibfläche für die Laserstrahlung optimiert werden.
Vorzugsweise erfolgt das Einbringen der Ausnehmungen linienförmig kontinuierlich oder unterbrochen, wobei die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise einer Sinusform und/oder Rechteckform folgen. Dadurch wird ein verstärkter Schmelzeauswurf erreicht und zugleich eine hohe Vorschubgeschwindigkeit realisiert, wobei verschiedene Muster oder Strukturen der Ausnehmungen einander ergänzen oder überlagern können. Vorzugsweise werden so Linienstrukturen mit parallelen oder spiralförmigen Linien oder Karo- und Rautenstrukturen mit sich kreuzenden Linien sowie kreis- oder ellipsenförmige Strukturen erzeugt. Auch zufällige oder unregelmäßige Strukturen können mittels der Laserstrahlung in die Oberfläche als Ausnehmungen eingebracht werden.
Die Ausnehmungen werden bevorzugt mit einer Orientierung quer zur Beanspruchungsrichtung in die Oberfläche eingebracht, die gegebenenfalls auch von der Flächennormalen abweichen kann. Hierzu wird die elektromagnetische Strahlung mit einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 30° und 60° geneigt, gegenüber der Flächennormalen der Reibfläche mit einer Orientierung in Richtung der Vorschubbewegung ausgerichtet.
Besonders bevorzugt wird die Laserstrahlung durch eine Schwenkbewegung und/oder translatorische Bewegung eines Reflektorelementes auf die Reibfläche abgelenkt. Hierdurch wird in einfacher Weise die gewünschte Ablenkung des Laserstrahles auf die Oberfläche und die Vorschubgeschwindigkeit des Fokuspunktes auf der Oberfläche der Reibfläche erreicht, ohne dass hierzu eine Bewegung des Laserbearbeitungskopfes oder des Reibelementes erforderlich ist.
Die zweitgenannte Aufgabe, ein Reibelement für eine reibschlüssig arbeitende trockenlaufende Kraftübertragungseinrichtung zu schaffen, das eine belaglose Reibfläche aufweist, wird dadurch gelöst, dass in der Reibfläche ein Vertiefungsmuster vorgesehen ist, das mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Vorzugsweise weist das Vertiefungsmuster eine Reibfläche mit Ausnehmungen auf, die eine Tiefe von zumindest 20 μm, eine Breite von zumindest 200 μm und/oder 3 bis 20 linienförmige Ausnehmungen pro mm aufweist. Besonders bevorzugt ist das Reibelement als eine Kupplungsscheibe ausgeführt. Das Reibelement kann zum Beispiel eine Anpressplatte, Gegendruckplatte oder Zwischenplatte einer trockenen Kupplung bzw. Doppelkupplung sein.
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 einer Prinzipdarstellung einen mittels einer nicht gezeigten Kinematik beweglichen Scanner 1 zur Ablenkung eines Laserstrahles 2 einer nicht weiter dargestellten Strahlungsquelle auf eine Reibfläche 3 eines Reibelementes 4, um darin gewünschte Vertiefungsmuster 5 zu erzeugen. Mittels des Lasers können auch vergleichsweise große Reibeflächen 3 in kurzer Zeit bearbeitet werden. Insbesondere mittels Single-modiger Laserstrahlung 2 ist die Bearbeitung deutlich schneller und somit effizienter durchführbar. Dabei führt der hohe Energieeintrag bezogen auf einen Fokusdurchmesser des Fokuspunktes 6 zu einem gewünschten Sublimationsabtrag mit sehr hohen Abtragsraten. Gleichzeitig kommt es zu der Ausbildung amorpher Schichten, die mit konventionellen mechanischen Verfahren oder konventioneller Lasertechnik nicht erreicht werden können. Die amorphen Schichten verhindern eine Gratbildung und sorgen dafür, dass im Vergleich deutlich geringere Aufwürfe an den Kanten des Vertiefungsmusters 5 entstehen, die keine Nachbearbeitung erfordern. Konkret bedeutet dies, dass eine hohe Gestaltungsfreiheit des gewünschten Vertiefungsmusters 5 mit einer Mindesttiefe von 20 μm und einer Mindestbreite von 200 μm erreicht wird. Zudem können im Hinblick auf die Funktion des Reibelementes 4 optimal gestaltete Hinterschnitte sowohl mit der gewünschten Kantensteilheit und Nuttiefe als auch mit gewünschten Nutabständen und -formen sowie Vertiefungsmuster 5 mit 3 bis 20 linienförmigen Ausnehmungen 7 pro mm eingebracht werden. Außerdem werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und den Sublimationsabtrag amorphe Schichten hergestellt, die keine negative Gratbildung und Nachbearbeitung mit sich bringen, wie sie bei vergleichbaren mechanischen oder Laserbearbeitungen zur Herstellung der genannten Profildimensionen auftreten. Dadurch lässt sich sowohl das allgemeine tribologische Verhalten als auch das Einlaufverhalten des Reibelementes 4 verbessern.
Bezugszeichenliste

1: Scanner
2: Laserstrahlung
3: Reibfläche
4: Reibelement
5: Vertiefungsmuster
6: Fokuspunkt
7: Ausnehmung

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 102010025403 A1 [0006]
DE 102011106009 A1 [0007]
WO 2013/060313 A1 [0008]
WO 96/33837 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Vertiefungsmusters (5) in einer Reibfläche (3) eines belaglosen Reibelementes (4) für eine trockenlaufende reibschlüssig arbeitende Kraftübertragungseinrichtung, insbesondere eine Kupplung oder Bremse, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertiefungsmuster (5) durch Abtragen mittels einer Laserstrahlung (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) eines Lasers mit einer Leistung von mehr als 800 W, einer Vorschubgeschwindigkeit eines Fokuspunktes (6) der Laserstrahlung (2) relativ zu der Reibfläche (3) zwischen 1 m/s und 2.500 m/s und/oder einem Fokusdurchmesser des Fokuspunktes (6) auf der Reibfläche (3) von weniger als 100 μm auf die Reibfläche (3) des Reibelementes (4) gerichtet wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) mit einem Fokusdurchmesser des Fokuspunktes (6) kleiner als 75 μm auf die Reibfläche (3) gerichtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertiefungsmuster (5) mit einer Tiefe von zumindest 20 μm in die Reibfläche (3) eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertiefungsmuster (5) mit einer Breite von zumindest 200 μm in die Reibfläche (3) eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Vertiefungsmuster (5) linienförmige Ausnehmungen (7) mit einer Verteilung von 3 bis 20 linienförmigen Ausnehmungen (7) pro mm eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser mit einer Leistung von zwischen 800 W und 3.000 W bezogen auf eine Fläche von 0,01 mm² betrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zumindest im Wesentlichen aus Stahlwerkstoff oder Grauguss bestehenden Reibelement der Laser mit einer Leistung von mehr als 2.000 W bezogen auf eine Fläche von 0,01 mm² betrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) mit einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 30° und 60° geneigt, gegenüber der Flächennormalen der Reibfläche (3) mit einer Orientierung in Richtung der Vorschubbewegung gerichtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) durch eine Schwenkbewegung und/oder translatorische Bewegung eines Reflektorelementes, insbesondere eines Scanners (1), auf die Reibfläche (3) abgelenkt wird.
Belagloses Reibelement (4) für eine reibschlüssig arbeitende trockenlaufende Kraftübertragungseinrichtung, das eine Reibfläche (3) aufweist, in der ein Vertiefungsmuster (5) vorgesehen ist, hergestellt mit einem Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.
Reibelement nach dem Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Vertiefungsmuster (5) in der Reibfläche (3) angeordnete linienförmige Ausnehmungen (7) hat, die eine Tiefe von zumindest 20 μm, eine Breite von zumindest 200 μm und/oder eine Verteilung von 3 bis 20 Ausnehmungen (7) pro mm bezogen auf die Reibfläche (3) aufweisen.