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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Verfahren zum Herstellen von Bauelementen für Kraftfahrzeuge sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Bei einem solchen Verfahren wird zumindest eine Oberfläche eines Bauelements bearbeitet. Aus dem Motorenbau ist es bekannt, eine Oberfläche, welche einen Zylinder für eine Hubkolbenmaschine zumindest teilweise begrenzt, zumindest in einem Teilbereich durch Honen zu bearbeiten. Ferner ist es bekannt, Oberflächen, welche jeweilige Zylinder für Hubkolbenmaschinen begrenzen, durch thermisches Spritzen herzustellen. Im Rahmen eines solchen thermischen Spritzens wird eine thermische Spritzschicht gebildet, welche die genannte Oberfläche, die einen Zylinder einer Hubkolbenmaschine zumindest teilweise begrenzt, bildet. Insbesondere bei derartigen, jeweilige Zylinder für Hubkolbenmaschinen begrenzenden Oberflächen ist es wünschenswert, besonders hohe Oberflächengüten und dabei insbesondere geringe Rauheiten der Oberflächen zu realisieren, um die Reibleistung und somit den Kraftstoffverbrauch der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschinen beziehungsweise Verbrennungsmotoren ausgebildeten Hubkolbenmaschinen gering zu halten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders hohe Oberflächengüte ohne scharfkantige Übergänge realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Oberflächengüte, das heißt eine besonders hohe Qualität der Oberfläche realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Übergangsbereich, über welchen ein erster Teilbereich in einen zweiten Teilbereich der Oberfläche übergeht, durch Kantenverrundung, insbesondere durch Präzisionskantenverrundung, bearbeitet wird. Die Präzisionskantenverrundung wird auch als Flakkotieren bezeichnet, wobei sich mittels des Flakkotierens beziehungsweise mittels der Präzisionskantenverrundung eine besonders hohe Oberflächengüte realisieren lässt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass es bei der Herstellung von Oberflächen sowie bei der Bearbeitung von Oberflächen mittels herkömmlicher Bearbeitungsverfahren zu Hochstrukturen, Bearbeitungsriefen, Näpfchen und/oder Poren an den beispielsweise als Funktionsoberflächen ausgebildeten Oberflächen von Bauelementen kommen kann. Dies führt zu scharfkantigen Übergängen in den Oberflächentopographien. Wird durch die Oberfläche beispielsweise eine Zylinderlaufbahn gebildet, das heißt begrenzt die Oberfläche beispielsweise einen Zylinder einer beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine zumindest teilweise, so führt die Schartigkeit an den Bearbeitungsriefen zu einer unerwünscht hohen Reibleistung/Verschleiß der Hubkolbenmaschine, sodass die Hubkolbenmaschine mit einem erhöhten Energieaufwand beziehungsweise Kraftstoffverbrauch betrieben wird.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können gezielte Oberflächenstrukturen wie Hochstrukturen, Bearbeitungsriefen, Näpfchen und Poren verrundet werden, sodass die Schartigkeit der Oberfläche besonders gering gehalten werden kann.
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Insbesondere wurde gefunden, dass mechanische Fertigungs- beziehungsweise Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Honen, Bearbeitungsriefen und scharfkantige Oberflächenübergänge im Mikrobereich erzeugen. Diese verursachen erhöhte Reibungs- und Verschleißverhältnisse am Bauelement beziehungsweise an Reibungspartnern sowie nur unzureichende Kontaktflächen zwischen Tribo-Kontaktpartnern. Solche Tribo-Kontaktpartner sind beispielsweise relativ zueinander bewegbare Bauelemente, welche während ihres Betriebs mittels eines Ölfilms zwischen den Tribo-Kontaktpartnern geschmiert werden. Hierzu soll ein Schmiermittel, beispielsweise Öl, einen Schmiermittelfilm, insbesondere einen Ölfilm, bilden, mittels welchem die Tribo-Kontaktpartner geschmiert werden. Aufgrund der scharfkantigen Oberflächentopographie kommt es jedoch zu einem zu schnellen Abscheren des Schmiermittelfilms. Konventionelle Finish-Verfahren zur Reduktion von unerwünschten Artefakten wie den zuvor genannten Hochstrukturen, Bearbeitungsriefen, Näpfchen und/oder Poren sind derzeit nicht oder nur unzulänglich geeignet, um eine hinreichende Oberflächenqualität zu realisieren.
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Durch die Kantenverrundung, insbesondere Flakkotieren, ist es nun jedoch möglich, die genannten Artefakte zumindest zu reduzieren, um dadurch eine besonders hohe Oberflächenqualität zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, die Oberfläche zu entgraten und scharfkantige Oberflächenzonen zu verrunden und somit zu verbessern.
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Einer der genannten Tribo-Kontaktpartner ist beispielsweise ein Kolben einer Hubkolbenmaschine, wobei der andere Tribo-Kontaktpartner der genannte Zylinder beziehungsweise eine durch die Oberfläche gebildete Zylinderlauffläche ist. Dadurch, dass eine besonders hohe Oberflächenqualität realisiert werden kann, kann die Reibung beziehungsweise der Verschleiß zwischen den Tribo-Kontaktpartnern gering gehalten werden, sodass der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden können. Ferner können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Deckelgrate bei thermisch gespritzten Oberflächen entfernt beziehungsweise gezielt verrundet werden. Außerdem ist eine reproduzierbare Kantenverrundung im Submikrobereich darstellbar, und das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders zeit- und kostengünstig durchgeführt werden. Weitere Tribo-Kontaktpartner können sein:
- – Kurbelwelle und Lagerschale
- – Nockenwelle und Lager
- – Nockenwelle und Ventilbetätigung
- – Pleuel und Kolbenbolzen
- – Zahnkettenglieder
- – etc.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung einer durch Honen bearbeiteten Oberfläche eines ersten Bauelements für ein Kraftfahrzeugs, wobei das erste Bauelement einem Verfahren unterzogen wird, bei welchem wenigstens ein Übergangsbereich, über welchen ein erster Teilbereich in einen zweiten Teilbereich der Oberfläche übergeht, durch Kantenverrundung bearbeitet wird;
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Rauheit der Oberfläche des Bauelements;
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3 eine schematische Darstellung einer durch thermisches Spritzen hergestellten Oberfläche eines zweiten Bauelements für ein Kraftfahrzeugs, wobei das zweiten Bauelement dem Verfahren unterzogen wird;
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4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eines dritten Bauelements für ein Kraftfahrzeug, wobei das dritte Bauelement dem Verfahren unterzogen wird; und
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5 ausschnittsweise eine schematische und vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der Oberfläche des dritten Bauteils.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Oberfläche 10 eines ersten Bauelements 12 für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Bauelement 12 ist beispielsweise ein Zylindergehäuse oder eine Zylinderlaufbuchse für eine als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das genannte Kraftfahrzeug antreibbar ist.
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Die Oberfläche 10 ist beispielsweise durch eine innenumfangsseitige Mantelfläche des Bauelements 12 gebildet ist. Die innenumfangsseitige Mantelfläche und somit die Oberfläche 10 sind zylindrisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass die innenumfangsseitige Mantelfläche beziehungsweise die Oberfläche 10 die Form eines zumindest im Wesentlichen geraden Kreiszylinders aufweist. Durch die Oberfläche 10 ist beispielsweise ein Zylinder der Hubkolbenmaschine begrenzt beziehungsweise gebildet. Der Zylinder ist ein Brennraum, in welchem in fertig hergestelltem Zustand der Hubkolbenmaschine ein Kolben der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Somit ist die Oberfläche 10 durch eine sogenannte Zylinderlaufbahn gebildet, an welcher der Kolben in seiner radialen Richtung abstützbar ist. Wird der Kolben in dem Zylinder relativ zu dem Bauelement 12 translatorisch auf- und abbewegt, so läuft der Kolben entlang der Zylinderlaufbahn und somit entlang der Oberfläche 10. Beispielsweise weist der Kolben wenigstens eine Ringnut auf, in welcher wenigstens ein Kolbenring zumindest teilweise aufnehmbar ist. Der Kolbenring kann beispielsweise entlang der Oberfläche 10 gleiten. Somit sind die Oberfläche 10 und der Kolben beziehungsweise der Kolbenring sogenannte Tribo-Kontaktpartner, welche im Rahmen des Betriebs der Hubkolbenmaschine mittels eines Schmiermittels in Form von Öl geschmiert werden. Hierzu soll sich zwischen den Tribo-Kontaktpartnern ein Ölfilm ausbilden.
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Die in 1 gezeigte schematische Darstellung basiert auf einem Schliffbild der tatsächlichen Oberfläche 10, welche durch Honen bearbeitet. Daraus resultieren in 1 schematisch dargestellte Honriefen 14, welche einen zumindest im Wesentlichen linienförmigen Verlauf aufweisen. Die Honriefen 14 sind Ausnehmungen beziehungsweise Vertiefungen der Oberfläche 10. Diese Vertiefungen werden beispielsweise durch einen jeweiligen Boden und durch jeweilige Flanken begrenzt, wobei die jeweilige Flanke als ein erster Teilbereich der Oberfläche 10 über einen jeweiligen Übergangsbereich in wenigstens einen sich an die jeweilige Vertiefung anschließenden zweiten Teilbereich der Oberfläche 10 übergeht. Somit ist der Boden der jeweiligen Vertiefung gegenüber dem zweiten Teilbereich zurückversetzt. Der Übergangsbereich bildet dabei eine Kante und ist somit ein scharfkantiger Übergang der Oberfläche 10.
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2 zeigt in einem Diagramm einen Profilschnitt und somit die Rauheit der Oberfläche 10 gemäß 1 im Bereich einer Honriefe 14. In 2 sind die genannten seitlichen Flanken (erste Teilbereiche) mit 16, der Boden mit 18, der jeweilige Übergangsbereich mit 20 und der jeweilige zweite Teilbereich mit 22 bezeichnet. Aus 2 ist besonders gut erkennbar, dass die Oberfläche 10 infolge des Honens eine Rauheit und somit eine Oberflächentopographie mit einer Vielzahl von Bergspitzen aufweist.
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Um die Reibung zwischen den Tribo-Kontaktpartnern besonders gering zu halten, ist eine hohe Qualität der Oberfläche 10 wünschenswert. Insbesondere ist es wünschenswert, die Rauheit der Oberfläche 10 besonders gering zu halten. In der Folge kann die innere Reibung beziehungsweise die Reibleistung der Hubkolbenmaschine gering gehalten werden, sodass die Hubkolbenmaschine mit einem nur geringen Kraftstoffbedarf betrieben werden kann. Um nun eine besonders hohe Oberflächengüte, das heißt eine besonders hohe Qualität der Oberfläche 10 zu realisieren, wird die Oberfläche 10 einem Verfahren zur Kantenverrundung, insbesondere Präzisionskantenverrundung wie beispielsweise Flakkotieren unterzogen. Im Rahmen des Verfahrens wird der jeweilige, zunächst scharfkantige Übergangsbereich 20, über welchen jeweilige erste Teilbereich (Flanke 16) in den jeweiligen zweiten Teilbereich 22 der Oberfläche 10 übergeht, durch Kantenverrundung, insbesondere durch Präzisionskantenverrundung wie beispielsweise Flakkotieren, bearbeitet. Das Flakkotieren ermöglicht ein gezieltes Kantenverrunden in gewünschten Oberflächenübergangszonen, das heißt in dem jeweiligen Übergangsbereich 20.
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Zum Flakkotieren kommt beispielsweise wenigstens ein Flakottier-Bürstwerkzeug zum Einsatz, welches wenigstens eine Bürste mit einer Mehrzahl von einzelnen Filamenten aufweist. Dabei ist ein maßgeschneiderter Aufbau des Flakottier-Bürstwerkzeugs realisierbar, sodass die Oberfläche 10 mittels der Bürsten besonders gut und vorteilhaft bearbeitet werden kann. Ein das Flakkotieren charakterisierender Parameter wird üblicherweise als K bezeichnet. Dabei ist es anwendungsspezifisch möglich, eine Verrundung mit K = 1 einzubringen, was einen homogenen Radius bedeutet. Ferner ist es möglich, anwendungsspezifisch K < 1 einzubringen, was auch als Wasserfall bezeichnet wird. Ferner ist es anwendungsspezifisch möglich, K > 1 einzubringen, was auch Trompete bezeichnet wird. Darüber hinaus lässt sich durch das Flakkotieren die Oberflächengüte im Vergleich zu herkömmlichen Standardverfahren deutlich verbessern. Insbesondere ist es ferner möglich, die Kantenverrundung zusätzlich in Kombination mit chemischem und/oder elektrochemischem Abtragen durchzuführen, sodass sich eine besonders hohe Oberflächengüte darstellen lässt.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Oberfläche 10 eines zweiten Bauelements 12, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zum ersten Bauelement 12 gemäß 1 auf das zweite Bauelement 12 gemäß 3 übertragen werden können und umgekehrt. Gemäß 3 ist die Oberfläche 10 durch thermisches Spritzen, das heißt durch eine thermische Spritzschicht gebildet. Dadurch weist auch die Oberfläche 10 unerwünscht stark ausgeprägte Artefakte vorliegend in Form von Poren 24 und/oder Näpfchen und/oder Deckelgrate auf. Dabei wird – wie bei der jeweiligen Honriefe 14 – die jeweilige Pore 24 durch einen Boden und wenigstens eine Flanke gebildet, welche einen ersten Teilbereich der Oberfläche 10 darstellt. Die jeweilige Flanke, das heißt der jeweilige erste Teilbereich geht über wenigstens einen in 3 mit 20 bezeichneten und scharfkantigen Übergangsbereich in wenigstens einen sich an die jeweilige Pore 24 anschließenden zweiten Teilbereich 22 der Oberfläche 10 über, sodass der jeweilige Boden der jeweiligen Pore 24 gegenüber dem jeweiligen zweiten Teilbereich 22 zurückversetzt beziehungsweise vertieft ist. Somit stellt auch die jeweilige Pore 24 eine Vertiefung der Oberfläche 10 dar, und der jeweilige Übergangsbereich 20 bildet eine scharfe Kante.
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Um eine hohe Oberflächenqualität des zweiten Bauelements 12 zu realisieren, wird das Bauelement 12, insbesondere die Oberfläche 10, dem beschriebenen Verfahren unterzogen, sodass Deckelgrate entfernt werden und der jeweilige, einen scharfkantigen Übergang der jeweiligen Pore 24 zum jeweiligen zweiten Teilbereich 22 und somit zur eigentlichen Bauteiloberfläche darstellende Übergangsbereich 20 verrundet wird. Deckelgrate, Riefen, Poren und Näpfchen sind Mikrostrukturen, welche auch als Artefakte bezeichnet werden. Die Artefakte können durch das Verfahren, insbesondere durch Flakkotieren, zumindest reduziert werden, um dadurch eine besonders hohe Qualität der Oberfläche 10 mit einer nur geringen Rauheit zu realisieren. Mit anderen Worten ist eine Verrundung eines scharfkantigen Übergangs der als Mikrostrukturen ausgebildeten Artefakte zu daran anschließenden Oberflächenbereichen darstellbar. Außerdem können scharfkantige Übergänge von Riefen zu daran anschließenden Bereichen ebenso verrundet werden wie Bergspitzen der Rauheit beziehungsweise Topographie der Oberfläche 10. Somit kann eine besonders hohe Oberflächengüte dargestellt werden.
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4 zeigt ein drittes Bauelement 12. Die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem ersten und zweiten Bauelement 12 gemäß 1 bis 3 können ohne weiteres auf das dritte Bauelement 12 gemäß 4 übertragen werden und umgekehrt. Das dritte Bauelement 12 ist beispielsweise als Zylindergehäuse oder Zylinderlaufbuchse ausgebildet und begrenzt einen Zylinder 26.
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5 zeigt einen in 4 mit B bezeichneten Teilbereich der Oberfläche 10. Die Oberfläche 10 wird beispielsweise durch konventionelle Bearbeitungsverfahren wie zum Beispiel Erodieren, Zerspanung, Laserbearbeitung etc. gebildet. Nach ihrer Herstellung weist die Oberfläche 10 gezielt hergestellte Artefakte beziehungsweise Mikrostrukturen auf, welche vorliegend als in 5 erkennbare Näpfchen 24 der Oberfläche 10 ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Oberfläche 10 Artefakte wie beispielsweise Hochstrukturen, Bearbeitungsriefen und/oder Poren aufweist.
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Wie bereits bezüglich 3 beschrieben geht das jeweilige Näpfchen 24 beziehungsweise zumindest eine Flanke (erster Teilbereich) des jeweiligen Näpfchens über einen jeweiligen scharfkantigen Übergangsbereich, welcher einen scharfkantigen Rand des jeweiligen Näpfchens 24 darstellt, in einen sich an das jeweilige Näpfchen 24 anschließenden zweiten Teilbereich 22 der Oberfläche 10 über. Um bei dem dritten Bauelement 12 gemäß 4 und 5 eine hohe Oberflächenqualität zu realisieren, werden das dritte Bauelement 12 und somit dessen Oberfläche 10 dem beschriebenen Verfahren unterzogen, um scharkantige Übergänge der Mikrostrukturen zu dem jeweiligen Teilbereich 22 und somit zur eigentlichen Bauteiloberfläche zu verrunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Oberfläche
- 12
- Bauelement
- 14
- Honriefe
- 16
- Flanke
- 18
- Boden
- 20
- Übergangsbereich
- 22
- zweiter Teilbereich
- 24
- Näpfchen
- 26
- Zylinder
- B
- Teilbereich
