DE102016104543B4

DE102016104543B4 - Vorrichtungen und Verfahren zum Strukturieren von Lagerbohrungen in einer Lagergasse

Info

Publication number: DE102016104543B4
Application number: DE102016104543.8A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Flores; David Memmler
Original assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2036-03-12
Also published as: DE102016104543A1

Abstract

Vorrichtung zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) einer Lagergasse umfassend eine Laserstrahlquelle und ein drehantreibbares Strahlwerkzeug (25), wobei im Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle und den zu bearbeitenden Lagerbohrungen (7) mindestens eine Steuereinrichtung (11) für den Laserstrahl (13) angeordnet ist, wobei der Laserstrahl (13) mittels der mindestens einen Steuereinrichtung (11) in Richtung von zwei Koordinaten-Achsen (X- Achse, Y-Achse) steuerbar ist und wobei ein Durchmesser (DSW) des Strahlwerkzeugs (25) kleiner als ein Durchmesser (DLB) der zu bearbeitenden Lagerbohrungen (7) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (LSW) des Strahlwerkzeugs (25) mindestens gleich der Länge (LLG) der zu bearbeitenden Lagergasse (LLG) ist, dass eine Steuereinrichtung (11) außerhalb des Strahlwerkzeugs (25) angeordnet ist, und dass das Strahlwerkzeug (25) mehrere feststehende Umlenkeinrichtungen (31) für den Laserstrahl (13) umfasst, und dass die axialen Abstände der Umlenkeinrichtungen (31) den Abständen der Lagerbohrungen (7) entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von aufgerauten Oberflächenbereichen in der Lagerbohrung eines (ölgeschmierten) Gleitlagers. In die Lagerbohrung wird später eine Lagerschale eingesetzt. Diese aufgerauten Bereiche werden nachfolgend auch als Segmente bezeichnet. Die Aufrauhung einer Lagerbohrung dient dazu, ein Verdrehen der Lagerschale, die in die Lagerbohrung eingesetzt wird, wirksam zu unterbinden. Die Fixierung der Lagerschale in axialer Richtung erfolgt durch Formschluss und ist daher unkritisch. Die Sicherheit gegen Verdrehen der Lagerschale in der Lagerbohrung ist bei Gleitlagern besonders wichtig, weil die Gleitlager bei bestimmten konstruktiven Ausführungen durch eine Ölbohrung im Lagerstuhl des Kurbelgehäuses und einen Öldurchlass in der Lagerschale mit Öl versorgt werden. Wenn sich die Lagerschale in der Lagerbohrung verdreht, dann wird das Gleitlager nur noch eingeschränkt oder überhaupt nicht mehr mit Öl versorgt. Die Folge ist vorzeitiger Verschleiß oder sogar ein Lagerschaden.
Für eine funktionsgerechte Ausbildung der Kontaktfläche zwischen der Außenseite der Lagerschale und der Lagerbohrung bestehen gegensätzliche Anforderungen: Im Sinne einer optimalen Sicherheit gegen Verdrehen ist ein raues Oberflächenprofil mit erhabenen Profilspitzen, welches eine hohe Haftreibung mit sich bringt, wünschenswert. Das Aufrauen der Oberfläche der Lagerbohrung verschlechtert allerdings den Wärmeübergang.
Die Forderung nach einer guten Wärmeübertragung von der Lagerschale auf die Lagerbohrung lässt sich erreichen, wenn die Oberfläche der Lagerbohrung sehr glatt ist und die Lagerbohrung eine sehr hohe Formgenauigkeit hat, so dass sich ein sehr guter und gleichmäßiger Kontakt zwischen Lagerschale und Lagerbohrung ergibt.
Die Lagerbohrung ist geteilt, damit man die Kurbelwelle montieren kann. Ein Teil der Lagerbohrung ist in das Kurbel- oder Zylindergehäuse integriert und wird als Lagerstuhl bezeichnet. Der demontierbare Teil der Lagerbohrung wird als Lagerdeckel bezeichnet.
Als Werkstoffe für Lagerdeckel werden heutzutage vor allem Gusseisen, Sintermetall oder Aluminium eingesetzt. Zylinder- oder Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine werden üblicherweise aus Gusseisen oder aus Aluminium hergestellt sind. Die Lagerstühle bestehen aus dem gleichen Material. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung und diese Werkstoffe beschränkt.
Aus dem Stand der Technik ist die Bearbeitung von Hauptlagerbohrungen durch Langhubhonen oder Reibhonen bekannt. Mit diesen Verfahren wird die gesamte Oberfläche der Lagerbohrungen gleichmäßig bearbeitet (aufgeraut), so dass bezüglich der gegensätzlichen Anforderungen „Rauigkeit“ und „Glattheit“ der Kontaktfläche ein Kompromiss gefunden werden muss.
Wenn der Lagerstuhl und der Lagerdeckel aus unterschiedlich festen Werkstoffen (z. B. Grauguss und Aluminium) bestehen, kann zusätzlich das Problem auftreten, dass durch die Honoperation die Bohrungsachse der Lagerbohrung in Richtung des Bauteils (Lagerstuhl, Lagerschale) verlagert wird, das aus dem weicheren Werkstoff besteht. Da ist unerwünscht. Wenn der Lagerstuhl zum Beispiel aus Grauguss und der Lagerdeckel aus Aluminium gefertigt sind, kann eine Verlagerung der Bohrungsachse in Richtung des Lagerdeckels stattfinden.
Die DE 10 2012 024 141 A1 greift dieses Problem auf und beschreibt eine Flächenstruktur an der Außenseite der Lagerschale, die ebenfalls eine hohe Haftreibung gegenüber der Lagerbohrung erreichen soll. Die Strukturierung der Außenseite einer Lagerschale ist problematisch, da eine Lagerschale in der Regel weicher ist als die Lagerbohrung. Somit drückt sich nicht die erhabene Struktur der zuvor aufgerauten weichen Lagerschale in die härtere Lagerbohrung des Pleuelauges ein, sondern die erhabene Struktur der Lagerschale wird eingeebnet. Außerdem ist die Struktur nicht partiell, sondern vollflächig ausgeführt. Dadurch wird nur die Reibung erhöht, nicht aber der erforderliche Wärmeübergang berücksichtigt.
Die DE 103 25 910 A1 beschreibt ebenfalls eine kraftschlüssige verdrehfeste Verbindung zwischen der Lagerbohrung im großen Pleuelauge und der Außenseite der Lagerschale. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche im großen Pleuelauge mit einem Laserstrahl bearbeitet. Die aus dieser Druckschrift bekannte Lösung lässt sich nicht auf die Anwendung bei den Hauptlagerbohrungen eines Kurbelgehäuses übertragen.
Die DE 102 445 33 B3 beschreibt eine formschlüssige Lösung des Problems der Verdrehsicherheit. Durch ein zusätzliches Bauteil, eine Hülse mit einem seitlichen Stift, wird eine Lagerschale formschlüssig in axialer und rotatorischer Richtung fixiert. Diese Lösung ist sehr kostspielig.
Aus der DE 10 2004 041 847 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Laserbearbeiten zylindrischer Innenflächen bekannt. Die dort beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind zur Bearbeitung von Lagergassen nur bedingt geeibnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, welche das Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen einer Lagergasse kostengünstig, prozesssicher und in kurzer Zeit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen einer Lagergasse mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug ist in erster Näherung einer rohrförmiger Zylinder mit mehreren feststehenden Umlenkeinrichtungen für den Laserstrahl und mehreren Fenstern aus denen der umgelenkte Laserstrahl aus dem Strahlwerkzeug austritt. Dai axialen Abstände der Umlenkeinrichtungen und der Fenster entspricht den Abständen der Lagerbohrungen Laserstrahl.
Das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug ist relativ einfach herzustellen, weil es im Wesentlichen nur eine Steuereinrichtung umfasst, die den Laserstrahl so umlenkt und steuert, dass der Laserstrahl auf die zu bearbeitenden Segmente der Lagerbohrung gerichtet wird. Um die Taktzeiten zu verkürzen sind mehrere Umlenkreinrichtungen und mehrere Fenster beabstandet zueinander in dem Strahlwerkzeug angeordnet sind. Dadurch können simultan mehrere Lagerbohrungen einer Lagergasse gleichzeitig aufgeraut werden, ohne das Strahlwerkzeug in Richtung der Drehachse der Lagergasse verfahren zu müssen.
Das erfindungsgemäße Strahlwerkzeug wird in die Lagergasse mit den aufzurauenden Lagerbohrungen eingeführt und axial und angular so positioniert, dass der Laserstrahl auf den zu bearbeitenden Bereich (das Segment) der Lagerbohrung gerichtet ist. In der 4 sind die Begriffe „axial“ und „angular“ veranschaulicht und erläutert.
Wenn das Strahlwerkzeug in dieser Weise in der Lagergasse positioniert ist, wird mit Hilfe der Steuereinrichtung der Laserstrahl so über das aufzurauende Segment der Lagerbohrung geführt, dass sich die gewünschte Struktur - bestehend aus Vertiefungen und Aufwürfen - ergibt.
Sobald ein Segment der zu bearbeitenden Lagerbohrung aufgeraut wurde, wird das Strahlwerkzeug beispielsweise um 60°, um 90° oder um einen anderen Winkel weitergedreht und dort das nächste Segment aufgeraut.
Dieser Vorgang wird innerhalb einer Lagerbohrung so oft wiederholt, bis die gewünschte Zahl von Segmenten aufgeraut wurde. Dann wird das Strahlwerkzeug in Richtung der Längsachse, bzw. der Drehachse der Lagergasse soweit verfahren, dass das Fenster des Strahlwerkzeugs vor einer benachbarten Lagerbohrung positioniert ist und diese Lagerbohrung in der gleichen Weise aufgeraut. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle zu bearbeitenden Lagerbohrungen aufgeraut wurden.
Ein Vorteil dieser Vorrichtung beziehungsweise des mit ihm ausgeführten Verfahrens besteht darin, dass die Lagerdeckel mit den Lagerstühlen verschraubt sein können. Es ist somit nur ein großes Werkstück, nämlich das Zylindergehäuse mit den Lagerstühlen und den darauf aufgeschraubten Lagerdeckeln zu bearbeiten, was die Handhabung vereinfacht.
Weil das erfindungsgemäße Aufrauen der Lagerbohrung mittels Laserstrahl sehr effektiv ist, ist es zum Erreichen einer ausreichenden Sicherheit gegen Verdrehen nicht erforderlich, die gesamte Oberfläche der Lagerbohrung, sondern nur Teile (Segmente) derselben aufrauen. Diese Segmente können in einer Abwicklung beispielsweise rechteckig oder quadratisch sein. Der Laserstrahl wird bei der Bearbeitung der Segmente bevorzugt so geführt, dass die durch den Laserstrahl erzeugten Aufwürfe in etwa senkrecht zur Drehrichtung der Welle verlaufen, die in den Lagerbohrungen gelagert wird. Dadurch wird bezogen auf die Fläche des Segments eine besonders gute Verdrehsicherheit der in die Lagerbohrung eingesetzten Lagerschale erreicht.
Sobald ein Segment der Lagerbohrung aufgeraut wurde, wird die Lagerbohrung in der Aufnahmevorrichtung zum Beispiel um 60° verdreht. Dort wird ein weiteres Segment der Lagerbohrung in erfindungsgemäßer Weise aufgeraut.
Die Haftreibungsflächen bestehen aus erhabenen Mikroschmelzgraten, welche mit einem Laserstrahl durch oberflächiges Anschmelzen und sofortiges Wiedererstarren erzeugt werden. Dadurch entsteht hartes, z.B. oxidhaltiges erhabenes Gefüge, welches sich in die Gegenseite, nämlich der Außenfläche der Lagerschale, eindrücken kann. Die Schmelzgrate verlaufen senkrecht in der Bohrung, d.h. normal zur Umfangsrichtung. Es können auch Strukturen mit normal gerichteten anteiligen Komponenten realisiert werden, z.B. mit einer Kreuzstruktur. Die Strukturierung kann im Falle einer Hauptlagerbohrung auf der Lagerstuhlseite und/oder auf nur einer Seite z.B. der Lagerdeckelseite erfolgen. Eine einseitige Strukturierung ist deshalb möglich, da die Lagerschalen auf Stoß eingebaut sind und wenn eine Lagerschale verdrehfest in der Lagerbohrung verankert ist, ist dies auch für die auf Formschluss in die Lagerbohrung eingelegte gegenüberliegend angeordnete Lagerschale zutreffend. Weil die Lagerstuhlseiten der Lagerbohrungen in das Zylinder- oder Kurbelgehäuse integriert sind, kann - wegen der großen Masse des Bauteils - die durch das Laserstrahlen in diesen Teil der Oberfläche der Lagerbohrung eingebrachte Energie besser abgeleitet werden. Das ist ein Vorteil.
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren können durch die (partielle) Bearbeitung von Segmenten oder Teilen der Lageroberfläche die Forderungen nach hoher Haftreibung und gleichzeitig hoher Wärmeübertragung erfüllt werden. Die vorgearbeitete Oberfläche, z.B. durch Feinbohren hergestellt, kann möglichst glatt ausgeführt werden, wodurch eine gute Wärmeübertragung stattfinden kann. Die Einbringung von partiellen Strukturfeldern erhöht die Haftreibung, lässt aber genügend Flächenanteile frei für einen hohen Wärmeübergang.
Die Erfindung bedient beide Forderungen gleichzeitig, nämlich eine geeignete Rauheit einzubringen, die eine ausreichende Verdrehsicherheit der Lagerschale generiert, und gleichzeitig glatte Oberflächen bereithält, welche für einen guten Wärmeübergang notwendig sind. Wenn nur der Lagerdeckel strukturiert wird, wäre es auch denkbar, dass das Strukturieren zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Kurbelwelle bereits lagerstuhlseitig eingelegt wird. Die Strukturierung des Lagerdeckels findet dann also unmittelbar vor der Montage statt.
Darüber hinaus liegen die Vorteile in der Einfachheit des Verfahrens: Es werden keine Werkzeugmaschinen mit hohen Werkzeugkosten pro Bohrung benötigt, sondern lediglich eine prozessgerechte Strahlführung und Energiekosten, es entstehen jedoch keine Werkzeugverschleißkosten.
Weil der Laserstrahl keine Massenträgheit hat, ist es sehr viel einfacher und schneller, wenn der Laserstrahl das aufzurauende Segment der Lagerbohrung entlang einer vorgegebenen Bahn überstreicht, um die gewünschten Vertiefungen und Schmelzaufwürfe zu erzeugen, als wenn ein Teil der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Lagerbohrung auch von dem Werkstück ausführt wird.
Die andere Hälfte der Lagebohrung sind in den sogenannten Lagerdeckeln ausgebildet, die auf den Lagerstuhl der Kurbelwelle aufgeschraubt werden. Auch die Lagerdeckel werden nach dem gleichen Verfahren aufgeraut.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen einer Lagergasse, umfassend eine Laserstrahlquelle, eine feststehende Umlenkeinrichtung und eine Steuereinrichtung für den Laserstrahl, wobei der Laserstrahl mittels der Steuereinrichtung in Richtung von zwei Koordinatenachse steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung den Laserstrahl in einer ersten Arbeitsstellung direkt auf die zu bearbeitende Lagerbohrung lenkt und in einer zweiten Arbeitsstellung mittelbar über die Umlenkeinrichtung auf die zu bearbeitende Lagerbohrung lenkt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Lagergasse seitlich neben einer zu bearbeitenden Bohrung von der Laserstrahlquelle in Richtung der zu bearbeitenden Lagerbohrung gesandt. In einer ersten Arbeitsstellung der Steuereinrichtung lenkt diese den Laserstrahl direkt auf die zu bearbeitende Lagerbohrung.
In der Regel wird das der Teil der Lagerbohrung sein, der sich in dem Lagerstuhl befindet. Dort kann dann die gewünschte Bearbeitung vorgenommen werden und ein oder mehrere Segmente der Lagerbohrung in erfindungsgemäßer Weise aufgeraut werden.
Der Teil der Lagerbohrung, der sich im Lagerdeckel befindet, ist auf direktem Weg nicht für den Laserstrahl erreichbar. Deshalb wird in einer zweiten Arbeitsstellung der Steuereinrichtung der Laserstrahl auf einen Umlenkspiegel gerichtet, der den Laserstrahl so umlenkt, dass auch der in dem Lagerdeckel befindliche Teil der Lagerbohrung vom Laserstrahl erreicht werden kann.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Umlenkeinrichtung so angeordnet ist, dass die Länge des Laserstrahls zwischen dem Verlassen der Steuereinrichtung und dem Auftreten auf der zu bearbeitenden Oberfläche der Lagerbohrung in der ersten Arbeitsstellung und in der zweiten Arbeitsstellung gleich ist. Dann nämlich muss die Fokussierung des Laserstrahls bei einem Wechsel zwischen den Arbeitsstellungen der Steuereinrichtung nicht geändert werden.
In anderen Worten: Häufig ist es vorteilhaft, wenn die Umlenkeinrichtung etwa dort positioniert ist, wo sich die Drehachse der Lagergasse befindet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuereinrichtung und die Umlenkeinrichtung auf einer gemeinsamen Konsole angeordnet sind. Dann ist es relativ einfach die Länge des Laserstrahls zwischen dem Austritt aus der Steuereinrichtung und dem Auftreffen auf der zu bearbeitenden Oberfläche der Lagerbohrung in beiden Arbeitsstellungen konstant zu halten. Außerdem bedarf es nur eines Antriebs bzw. einer Steuerung, um die Konsole und mit ihr die Steuereinrichtung und die Umlenkeinrichtung an die gewünschte Position seitlich neben einer zu bearbeitenden Lagerbohrung zu positionieren.
Den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass das Strahlwerkzeug und ein zu bearbeitendes Werkstück relativ zueinander in der Lagergasse axial und angular verschiebbar sind.
Außerdem ist es bei vielen Ausführungsbeispielen vorteilhaft, wenn das Strahlwerkzeug und das zu bearbeitende Werkstück relativ zueinander um eine Längsachse / Drehachse der Lagergasse schwenkbar oder drehbar sind.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen benötigen lediglich Steuereinrichtungen, die den Laserstrahl in Richtung von zwei Achsen steuern können, wobei diese Achsen in einer Ebene angeordnet sind, die orthogonal zu der Richtung des Laserstrahl sich erstreckt. Diese „Definition“ ist im streng geometrischen Sinne nicht ganz korrekt, weil die Steuereinrichtung, die Richtung des Laserstrahls ändert. Die oben definierte Ebene macht diese Bewegungen jedoch nicht mit.
Die Anordnung bzw. die Erstreckung der steuerbaren Achsen relativ zu der Hauptrichtung des Laserstrahls ist weiter unten anhand der 8 noch näher erläutert.
Es ist auch möglich, dass der Laserstrahl ein oder mehrere Segmente der Lagerbohrung aufraut und dass eine Bogenhöhe jedes Segments kleiner ist als einer Rayleighlänge des Laserstrahls. Diese Anordnung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass innerhalb der Rayleighlänge des Laserstrahls die Leistungsdichte des Laserstrahls nahezu konstant ist und daher die Qualität bzw. Intensität der Aufrauung über das ganze Segment gleich ist. Bei vielen zum Einsatz kommenden Laserstrahlquellen ist die Rayleighlänge kleiner oder gleich 0,8 mm. Daher ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn die Bogenhöhe jedes Segments, das aufgeraut wird kleiner als 0,8 mm ist.
Wenn die Bogenhöhe größer als die Rayleighlänge ist, kann die Lage des Brennpunkts des Laserstrahls automatisch so gesteuert werden, dass er immer dort liegt, wo der Laserstrahl auf der Oberfläche der Lagerbohrung auftrifft. Die Genauigkeitsanforderungen dieser Steuerung des Fokus sind aus den o. g. Gründen relativ gering.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Figurenliste
Es zeigen:

1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufrauen der Lagebohrung einer Lagergasse;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufrauen der Lagebohrung einer Lagergasse;
3a bis 3c ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drehbar gelagerten und aufgenommenen Werkstücken;
3d bis 3f ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer verfahrbaren Steuereinrichtung;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Steuereinrichtung am Ende des Strahlwerkzeugs;
5a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der am Ende des Strahlwerkzeugs eine Umlenkeinrichtung angeordnet ist;
5b ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Umlenkeinrichtungen;
6 und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen und
8 eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines Laserstrahls, der aus einer Steuereinrichtung austritt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren sind stark vereinfachte und schematisierte Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen. Die 1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufrauen von lagerstuhlseitigen Segmenten einer Lagerbohrung im Schnitt.
Die Lagerbohrung umfasst einen Lagerstuhl 1 und einen Lagerdeckel 3, der in der 1b gesondert und vergrößert dargestellt ist. Der Lagerstuhl 1 kann Teil eines Zylindergehäuses 5 oder Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine sein. Entsprechend der Zahl der Zylinder sind mehrere Lagerstühle 1 hintereinander und zwar senkrecht zu der Zeichnungsebene angeordnet. Diese hintereinander angeordneten Lagerstühle 1 bilden die sogenannte Lagergasse.
Es versteht sich von selbst, dass die Lagerbohrungen 7, welche zur einen Hälfte im Lagerstuhl ausgebildet sind und zur anderen Hälfte in der dem Lagerdeckel 3 ausgebildet sind, hinsichtlich ihrer Geometrie (Durchmesser und Rundheit) sehr präzise gefertigt sein müssen. Gleichzeitig müssen die Lagerbohrungen 7 einer Lagergasse exakt fluchtend sein.
Über die Lagerbohrungen 7 einer Lagergasse wird ein Teil der beim Betrieb der Brennkraftmaschine entstehenden Reibungswärme in das Zylindergehäuse 5 abgeführt. Gleichzeitig ist zu gewährleisten, dass eine Lagerschale (nicht dargestellt), die in die Lagerbohrung 7 eingesetzt wird, sich nicht während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) mitdrehen kann. Wenn dies geschieht, dann besteht die große Gefahr, dass Schmierölbohrungen (nicht dargestellt), welche die Kurbelwelle durch den Lagerstuhl 1 und eine komplementäre Bohrung in der nicht dargestellten Lagerschale, die Kurbelwelle, welche sich in den Lagerschalen dreht, nicht mehr mit Schmieröl versorgen können und infolge dessen ein Lagerschaden eintritt.
Die Forderungen an einen guten Wärmeübergang zwischen der Lagerschale (nicht dargestellt) und der Lagerbohrung, insbesondere des Teils der Lagerbohrung 7, der sich im Lagerstuhl 1 befindet und einer möglichst guten Verdrehsicherheit der Lagerschale, die in die Lagerbohrung 7 eingesetzt wird, widersprechen einander. Ein guter Wärmeübergang erfordert eine glatte Oberfläche, während die Verdrehsicherheit eine raue Oberfläche fordert, die einen Mikroformschluss zwischen dem Außendurchmesser der Lagerschale und der Lagerbohrung 7 bewirkt.
Um diesen Widerspruch aufzulösen ist es bekannt, die Lagerbohrung 7 durch Feinbohren oder Feinspindeln zu bearbeiten, so dass sich eine sehr genaue und glatte Oberfläche der Lagerbohrung 7 ergibt. Dadurch ist unter anderem ein sehr guter Wärmeübergang gewährleistet.
Erfindungsgemäß werden Teile dieser Lagerbohrung 7, die nachfolgend auch als Segmente 19 bezeichnet werden, nach der o. g. Feinbearbeitung durch einen Laserstrahl 13 aufgeraut. In den 1 und 2 ist eine Drehachse der Kurbelwelle, welche dem Mittelpunkt der Lagerbohrung 7 entspricht mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Streng genommen ist der Begriff Drehachse 9 für die Lagerbohrung nicht ganz korrekt, weil die Lagerbohrung 7 keine Drehung ausführt, sondern die in ihr gelagerte Kurbelwelle diese Drehung ausführt. Die Drehachse 9 und die Längsachse der Lagergasse verlaufen koaxial.
In der 1a ist eine Steuereinrichtung 11 dargestellt, die einen Laserstrahl 13 in zwei Richtungen, entsprechend dem zu bearbeitenden Strukturfeld oder Segment 19, umlenken und steuern kann.
Eine Laserstrahlquelle, welche das Laserlicht erzeugt, ein Kollimator und eine Fokussiereinrichtung sind in den Figuren nicht dargestellt. Solche Laserstrahlquellen, Kollimatoren und Fokussiereinrichtungen sind Stand der Technik und können am Markt käuflich erworben werden. Dies gilt grundsätzlich auch für die Steuereinrichtung 11. Es ist gut möglich, Steuereinrichtungen (Scanner) von sogenannten Beschriftungslasern, die am Markt käuflich zu erwerben sind, einzusetzen.
Bevor die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen fortgesetzt wird, verweisen wir kurz auf 8, welche eine Steuereinrichtung 11 und den zugehörigen Laserstrahl 13 in einer Isometrie darstellt. Wenn man im nicht ausgelenkten Zustand des Laserstrahls 13 der Richtung des Laserstrahls 13 eine Z-Achse zuordnet, dann spannen die verbleibenden kartesischen Koordinatenachsen (X-Achse und Y-Achse) eine Ebene 15 auf, die orthogonal zur Richtung des Laserstrahls 13 ausgerichtet ist.
In diese Ebene 15 sind - ausgehend vom Durchstoßpunkt des Laserstrahls 13 - zwei Koordinatenachsen (X-Achse und Y-Achse) eingetragen. Die Steuereinrichtung 11 ermöglicht es, den Laserstrahl 13 so auszulenken, dass der Durchstoßpunkt des Laserstrahls 13 durch die Ebene 15 in Richtung der positiven und der negativen X-Achse sowie in Richtung der positiven und der negativen Y-Achse bewegt. Zur Veranschaulichung ist mit einer gestrichelten Linie 17 der Bearbeitungsbereich bzw. die Fläche gekennzeichnet, innerhalb derer sich der Durchstoßpunkt des Laserstrahls durch die Ebene 15 bewegen kann. Innerhalb dieser Fläche kann der Laserstrahl 13 auf beliebigen Bahnen von der Steuereinrichtung 11 bewegt werden.
Wenn man dies auf die in den 1 bis 7 dargestellten Situationen überträgt, dann bewirkt der Laserstrahl 13 überall dort, wo er auf der Oberfläche der Lagerbohrung 7 auftrifft, punktuell ein Aufschmelzen des Materials der Lagerbohrung, so dass ein Schmelzaufwurf entsteht, der rasch wieder erstarrt. Durch eine geeignete Einstellung des Laserstrahls (Leistungsdichte, Vorschubgeschwindigkeit, ...) wird erreicht, dass nur ein erhabener Schmelzaufwurf, ohne Vertiefung entsteht.
Im Ergebnis führt also eine linienförmige gerade Bewegung des Laserstrahls über die Oberfläche der Lagerbohrung 7 dazu, dass sich dort ein ebenfalls geradliniger Schmelzaufwurf bildet. Die Schmelzaufwürfe sind wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit relativ hart und ragen über die feingedrehte Oberfläche der Lagerbohrung 7 hinaus. Im Ergebnis führen sie zu einem Mikroformschluss zwischen einer Lagerschale (nicht dargestellt) und den aufgerauten Segmenten 19 der Lagerbohrung 7.
Es wird erfindungsgemäß nicht die gesamte Oberfläche der Lagerbohrung 7 in dieser Weise aufgeraut, sondern es werden nur Segmente 19 oder Felder der Lageroberfläche aufgeraut. Solche Segmente 19 sind unter anderem in den 1 und 2 angedeutet.
In den 1a und 1b sind die beiden Extremstellungen des Laserstrahls 13 durch Linien 21 angedeutet. Diese Linien markieren das Ende des Segments 19. Wenn man die Richtung des Laserstrahls 13 als Z-Achse bezeichnet, dann kann man diese Auslenkung des Laserstrahls 13 nach rechts und links als eine Bewegung in Richtung der positiven bzw. negativen X-Achse darstellen. Wie bereits im Zusammenhang mit der 8 erläutert, ist die Steuereinrichtung 11 so gestaltet, dass der Laserstrahl auch in Richtung einer Y-Achse, d.h. senkrecht zur Zeichenebene, gesteuert werden kann.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Laserstrahl 13 beginnend zum Beispiel auf der in 1 linken Seite des Segments 19 so gesteuert wird, dass er entlang einer Vielzahl von parallelen Linien in Richtung der Y-Achse über den aufzurauenden Bereich (entspricht dem späteren Segment 19) über die Oberfläche der Lagerbohrung 7 „wandert“. Dadurch entstehen an der Oberfläche der Lagerbohrung 7 entlang dieser geraden oder gekrümmten Linien Schmelzaufwürfen, die über die durch Feindrehen erzeugte Oberfläche hinausragen. Diese Schmelzaufwürfe sind in der Regel parallel zueinander und setzen einer Drehbewegung einer Lagerschale (nicht dargestellt), die in die Lagerbohrung eingesetzt wird, einen optimalen Mikroformhaftschluss entgegen.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1a und 1b sind das Werkstück, d.h. das Zylindergehäuse 5 und der Lagerdeckel 3, fest in einer nicht dargestellten Vorrichtung so positioniert, dass sie um die Drehachse 9 dreht bzw. geschwenkt werden können.
Die Steuereinrichtung 11 ist so positioniert, der Laserstrahl 13 das Segment 19 sukzessive in der zuvor beschriebenen Weise aufraut. Wenn nur der Lagerdeckel bereichsweise aufgeraut strukturiert werden soll, besteht die Möglichkeit, den Lagerdeckel 3 dann zu strukturieren, wenn die Kurbelwelle in der Lagerstuhlseite eingelegt wird. Diese Parallelisierung würde die Prozesskette verkürzen.
Selbstverständlich können nicht nur parallel zueinander verlaufende gerade Linien mit dem Laserstrahl 13 auf der Oberfläche der Lagerbohrung 7 erzeugt werden, sondern es können beliebige andere Muster innerhalb des Segments 19 erzeugt werden. Die Richtungsvektoren der Schmelzaufwürfe haben jedoch fast immer eine Komponente, die normal zu der Umfangsrichtung der Lagerschale bzw. parallel zu der Drehachse der in den Lagerbohrungen gelagerten Kurbelwelle verläuft. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele gleichermaßen.
Aus den 1a und 1b wird deutlich, dass der Abstand vom Austritt des Laserstrahls 13 aus der Steuereinrichtung 11 bis zum Auftreffen auf der Lagerbohrung 7 nur geringfügig variiert. Der Unterschied in der Länge, die der Laserstrahl zurücklegt, bis er auf die Oberfläche der Lagerbohrung 7 auftrifft, entspricht der Bogenhöhe B_H des Segments 19 (siehe 1a). Wenn das Segment 19 so dimensioniert wird, dass die Bogenhöhe B_H kleiner ist als die Rayleighlänge des Laserstrahls 13, dann ergibt sich trotzdem eine gleichmäßige Bearbeitung des Segments 19 durch den Laserstrahl 13, weil innerhalb einer Rayleighlänge der Laserstrahl eine nahezu konstante Intensität hat. Der Fokus des Laserstrahls 13 muss nicht verändert werden.
Die in den 1a und 1b dargestellte Vorrichtung ist vom apparativen Aufwand her sehr einfach und erlaubt dennoch eine ausreichend präzise und schnelle Bearbeitung der Segmente 19 an der Lagerbohrung 7.
In der 2 ist eine alternative Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung kann der Fokus des Laserstrahls 13 verändert werden. Daher ist es möglich, die Lagerbohrung 7 so zu bearbeiten, dass drei Segmente 19.1 bis 19.3 mit aufgerauter Oberfläche entstehen. Dies geschieht durch eine geeignete Auslenkung des Laserstrahls 13. Exemplarisch ist für jedes Segment 19.1 bis 19.3 ein Laserstrahl 13.1 bis 13.3 dargestellt. Die Entfernung zwischen dem Austritt der Laserstrahlen 13 aus der Steuereinrichtung 11 und dem Auftreffen auf der Oberfläche der Lagerbohrung 7 ist nicht konstant. Daher muss der Brennpunkt (nicht dargestellt) des Laserstrahls 13 bei dieser Variante so gesteuert werden, dass die leistungsdichte des Laserstrahls 13 auf der Oberfläche der Lagerbohrung 7 konstant.
Diese Vorrichtung kann auch zur Bearbeitung von Kurbelgehäusen eingesetzt werden (nicht dargestellt). Bei der Bearbeitung von Kurbelgehäusen wird ein besonderer Vorteil dieser Variante deutlich: Das Zylindergehäuse 5, welches naturgemäß ein erhebliches Gewicht hat und auch einigen Platz beansprucht, muss nicht bewegt werden, um die Oberfläche der Lagerbohrung 7 in den Segmenten 19.1 bis 19.3 aufzurauen.
In den 3a bis 3c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung ist exemplarisch nur ein Lagerdeckel 3 in drei verschiedenen Positionen dargestellt. Der Lagerdeckel 3 ist auf einem Drehtisch 23 so montiert, dass die Drehachse 9 des Lagerdeckels 3 mit der Drehachse des Drehtisches 23 zusammenfällt.
Der Drehtisch 23 ist mit einem Drehantrieb und einer Steuerung versehen, so dass der Lagerdeckel 3 in verschiedenen Drehwinkeln relativ zur Steuereinrichtung 11 positioniert werden kann. Beispielhaft sind in den 3a bis 3c diese verschiedenen Positionen dargestellt. In jeder dieser Positionen wird ein Segment 19 hergestellt. Die Segmente 19 werden so hergestellt, wie anhand der 1a und 1b erläutert.
In der in 3a dargestellten Position des Lagerdeckels 3 wird das Segment 19.2 hergestellt. In der in 3b dargestellten Position des Lagerdeckels 3 wird das Segment 19.3 durch den Laserstrahl 13 hergestellt und in der in 3c dargestellten Position des Lagerdeckels 3 wird das Segment 19.1 durch den Laserstrahl 13 hergestellt. Die Herstellung der Segmente 19.1, 19.2 und 19.3 erfolgt durch Auslenken des Laserstrahls 13 in Richtung einer X- und einer Y-Achse genauso wie im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert.
Durch diese Modifikation ist es möglich, gleichmäßig über den Umfang der Lagerbohrung 7 verteilt mehrere Segmente 19.1 bis 19.3 in der Lagerbohrung 7 anzubringen. Jedes dieser Segmente verbessert die Verdrehsicherheit der nicht dargestellten Lagerschale in der Lagerbohrung 7. Eine entsprechende Herstellung von Segmenten 19, die eine aufgeraute Oberflächenstruktur aufweisen, ist auch mit dem Kurbelgehäuse bzw. dem Zylindergehäuse 5 möglich.
Im Zusammenhang mit der Bearbeitung der Lagerbohrungen 7 in einem Zylindergehäuse 5 wird ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich: Das Zylindergehäuse 5, welches naturgemäß ein erhebliches Gewicht hat und auch einigen Platz beansprucht, muss nur wenig bewegt werden. Wenn drei Segmente 19.1 bis 19.3 erzeugt werden sollen, wird das Zylindergehäuse nur zum Anfahren dieser Positionen bewegt.
Die eigentliche Bearbeitung, d.h. das Abtasten der Oberfläche der Lagerbohrung 7 innerhalb der Segmente 19 erfolgt durch den Laserstrahl 13, der keine Trägheit hat und kann daher sehr rasch und auch ohne Verschleiß erfolgen.
Es ist auch möglich, dass der Lagerstuhl gemäß einer Vorrichtung und einem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Verfahren bearbeitet wird und der Lagerdeckel mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß 3. Auch kann der Lagerstuhl mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß 3 bearbeitet werden. Dann wird das Kurbelgehäuse 5 um den Drehpunkt 9 gedreht. Alternativ kann auch die Steuereinrichtung 11 auf einer Kreisbahn mit einem Mittelpunkt im Drehpunkt 9 relativ zu dem Lagerdeckel bzw. den Lagerstuhl bewegt werden. Diese Kreisbahn ist in den 3d bis 3f durch einen Doppelpfeil 20 angedeutet.
Wenn mehrere Lagerdeckel 3 mit aufgerauten Bereichen (Segmenten) versehen werden sollen, dann können zum Beispiel in den in den 1b, 2 und 3d bis 3f dargestellten Vorrichtungen mehrere Lagerdeckel 3 übereinander gestapelt werden und nacheinander bearbeitet werden. Dazu müssen nur die Steuereinrichtung 11 und die übereinander gestapelten Lagerdeckel 3 relativ zueinander parallel zur Drehachse 9 verfahren werden. In den genannten Figuren verläuft die Verfahrrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene.
In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Bild 4 zeigt ebenso wie das Bild 5 einen Längsschnitt durch ein Zylindergehäuse 5 mit aufgeschraubten Lagerdeckeln 3. Die Lagergasse wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch fünf Lagerbohrungen 7 gebildet.
Im unteren Teil der 4 ist eine Teilansicht von vorne auf das Kurbelgehäuse 5 und den Lagerdeckel 3 in montiertem Zustand dargestellt. In dieser Darstellung ist ein Drehwinkel „phi“ dargestellt. Eine axiale Positionierung des Strahlwerkzeugs 25 bedeutet, dass es um einen bestimmten Winkel phi zwischen 0° und 360° gedreht werden kann. Dadurch können Segmente 19 über den gesamten Umfang der Lagerbohrung 7 verteilt mit Hilfe des Laserstrahls 13 aufgeraut werden.
Die Strukturierung einer oder mehrerer Segmente 19 mit aufgerauter Oberfläche erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit montiertem Lagerdeckel. Hierzu ist eine Spindel 27 mit einem Strahlwerkzeug 25, welches eine Tauschoptik enthält vorgesehen. Durch die Spindel 27 wird der Laserstrahl 13 in das Strahlwerkzeug 25 eingespeist. An dem der Spindel abgewandten Ende des Strahlwerkzeugs 25 wird der Laserstrahl 13 um etwa 90° umgelenkt und trifft durch ein Fenster 29 des Werkzeugs 25 radial auf die Oberfläche der Lagerbohrung 7.
Die Bewegung der Spindel in Umfangsrichtung (angulare Positionierung) und axialer Richtung (axiale Positionierung) lediglich benötigt, um den Strahlaustritt in der zu bearbeitenden Lagerbohrung 7 zu positionieren. Das Strahlwerkzeug 25 fährt also in Lagergasse ein und fährt eine axiale Position an, so dass sich das Fenster 29 in einer der zu bearbeitenden Lagerbohrungen 7 befindet. Dann dreht die Spindel 27 das Strahlwerkzeug 25 auf die Position (angulare Positionierung) in der das Segment 19 mit aufgerauter Oberfläche in der Lagerbohrung 7 erzeugt werden soll.
Zur Lenkung des Laserstrahls 13 innerhalb des Strukturfeldes ist eine Steuereinrichtung 11 (ein Scanner) vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 11 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Strahlwerkzeugs 25, z.B. in der Nähe des Fensters 29.
Eine Länge der Lagergasse ist in dem Bild 4 mit dem Buchstaben L_LG gekennzeichnet. Aus der 4 wird auch deutlich, dass die Lagerbohrungen 7, welche die Lagergasse bilden, exakt fluchtend zueinander angeordnet sind. Die Lagerbohrungen 7 haben einen Durchmesser D_LB, der ebenfalls in der 4 dargestellt ist. In diese Lagergasse ist ein erfindungsgemäßes Strahlwerkzeug 25 eingefahren, dessen Länge Lsw größer oder gleich der Länge L_LG der Lagergasse ist. Dies bedeutet, dass, wenn das Strahlwerkzeug 25 von einer Seite in die Lagergasse eingefahren wird, auch die Lagerbohrung 7 am entgegengesetzten Ende der Lagergasse von dem Strahlwerkzeug 25 erreicht werden kann. Das Strahlwerkzeug 25 ist mit einer drehantreibbaren Spindel 27 verbunden, so dass über den Umfang einer Lagerbohrung 7 verteilt mehrere Segmente 19 aufgeraut werden können.
Eine axiale Positionierung bedeutet, dass das Strahlwerkzeug 25 in Richtung der Drehachse 9 der Lagergasse verfahren werden kann, so dass das Fenster 29 des Strahlwerkzeugs 25 nacheinander in allen Lagerbohrungen 7 positioniert wird. Dann wird diese Lagerbohrung segmentweise aufgeraut, indem das Strahlwerkzeug 25 angular positioniert und ein Segment 19 mit aufgerauter Oberfläche erzeugt wird.
Die eigentliche Laserstrahlquelle ist außerhalb des Strahlwerkzeugs angeordnet und nicht dargestellt. Es ist lediglich der Laserstrahl 13 ab dem Eintritt in das Strahlwerkzeug 25 dargestellt. In der Steuereinrichtung 11 für den Laserstrahl wird dieser etwa um 90° umgelenkt, von der axialen Richtung in eine radiale Richtung. Dort wo der Laserstrahl 13 aus dem rohrförmigen Strahlwerkzeug 25 austritt, ist ein Fenster 29 angeordnet, das für den Laserstrahl 13 transparent ist.
In der 4 ist der Laserstrahl 13 nach dem Austritt aus der Steuereinrichtung 11 zweimal dargestellt. Die dargestellten Richtungen des Laserstrahls 13 zeigen die Breite des Segments 19 an, das von dem Laserstrahl 13 bearbeitet wird.
In der 4 ist das Strahlwerkzeug 25 so gezeichnet, dass die Lagerbohrung 7, welche sich in der 4 ganz unten befindet, nicht von dem Strahlwerkzeug 25 verdeckt wird. In dieser Lagerbohrung 7 ist ein Segment 19.4 dargestellt, welches in dem Lagerstuhl des Zylindergehäuses angebracht ist. Ein Segment 19.5 ist in dem Teil der Lagerbohrung 7 angebracht, das sich im Lagerdeckel 3 befindet. Die Abmessungen der Segmente 19.4 und 19.5 sind verschieden. Wie bereits zuvor ausgeführt, ist die Funktion der Wärmeabfuhr in dem Teil der Lagerbohrung 7, der in dem Zylindergehäuse 5 ausgebildet ist, wichtiger als bei dem Lagerdeckel 3. Aus diesem Grund hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Segment 19.4 eine kleinere Fläche als das Segment 19.5, das in dem Lagerdeckel 3 ausgebildet ist.
Weil das Zylindergehäuse 5 und der Lagerdeckel 3 üblicherweise auch aus verschiedenen Werkstoffen (Grauguss bzw. Aluminium) hergestellt werden, ist es in der Regel vorteilhaft, wenn die Strahlparameter des Laserstrahls 13 bei der Bearbeitung des Lagerstuhls und des Lagerdeckels 3 den Eigenschaften der Werkstoffe entsprechend angepasst werden. Dadurch kann für beide Werkstoffe ein optimales Bearbeitungsergebnis erreicht werden.
Es ist nun möglich, das rohrförmige Strahlwerkzeug 25 Schritt für Schritt aus der Lagergasse herauszuziehen (axiale Positionierung) und eine Lagerbohrung 7 nach der anderen in der gewünschten Weise mit Segmenten 19 zu versehen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass in einem Laserwerkzeug 25 mehrere Steuereinrichtungen 11 angeordnet sind, die zueinander so beabstandet sind, dass jeweils eine Steuereinrichtung 11 eine Lagerbohrung 7 bearbeiten kann. Dann ist es möglich, zwei oder mehr Lagerbohrungen 7 gleichzeitig aufzurauen und dadurch die Taktzeit zu reduzieren.
Es ist zur Erzielung einer optimalen Produktivität vorteilhaft, wenn jede Steuereinrichtung 11 mit einem gesonderten Laserstrahl beaufschlagt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Laserstrahl nacheinander die verschiedenen Steuereinrichtungen 11 mit Laserlicht versorgt.
In der 5a ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an dem in 5 unteren Ende des Strahlwerkzeugs eine Umlenkeinrichtung 31 für den Laserstrahl 13 vorgesehen. Diese mindestens eine Umlenkeinrichtung 31 ist am Ende des Strahlwerkzeugs 25 angeordnet, das der Spindel 27 abgewandt ist. Die Steuereinrichtung 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Spindel 27 angeordnet.
Es ist nun bei diesem Konzept möglich, mehrere Umlenkeinrichtungen 31.1 bis 31.5 in axialer Richtung des Strahlwerkzeugs 25 beabstandet zueinander und in radialer Richtung etwas versetzt anzuordnen, so dass je nachdem, wie der Laserstrahl 13 ausgelenkt wird, die verschiedenen Umlenkeinrichtungen 31 vom Laserstrahl 13 erreicht werden. Zu jeder Umlenkeinrichtung 31.1 bis 31.5 gehört ein Fenster 29.1 bis 29.5. Dies ist in 5b schematisch dargestellt. In der 5b ist der Laserstrahl 13 auf die Umlenkeinrichtung 31.4 gerichtet.
In axialer Richtung haben die Umlenkeinrichtungen 31 Abstände, die den Abständen der Lagerbohrungen 7 in der Lagergasse entsprechen.
Bei diesem Strahlwerkzeug können ohne das Strahlwerkzeug 25 in seiner axialen und angularen Position zu verändern, mehrere Segmente 19 in hintereinander angeordneten Lagerbohrungen 7 der Lagergasse gefertigt werden. Wenn alle Segmente, die in einer Position des Strahlwerkzeugs 25 bearbeitet werden können, fertiggestellt sind, wird das Bearbeitungswerkzeug 25 beispielsweise um 120° gedreht (angular positioniert) und es wird eine weitere Reihe von Segmenten 19 in die verschiedenen Lagerbohrungen 7 der Lagergasse eingearbeitet.
Diese Vorrichtung bzw. dieses Strahlwerkzeug 25 ist einfach aufgebaut, unter anderem weil es nur eine Steuereinrichtung 11 benötigt, und gleichzeitig sehr produktiv, so dass kurze Taktzeiten erreicht werden.
In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisiert und stark vereinfacht dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind eine Steuereinrichtung 11 und eine Umlenkeinrichtung 31 auf einer Konsole 33 montiert. Wenn man eine Verbindungslinie zwischen der Steuereinheit und der Umlenkeinheit 31 zieht, dann verläuft diese Verbindungslinie im Wesentlichen orthogonal zu den Drehachse 9 der Lagerbohrungen 7.
Die Konsole 33 ist ein längliches Gebilde, das an einem Ende die Umlenkeinrichtung 31 und am anderen Ende die Steuereinheit 11 trägt. Die Konsole 33 kann in Richtung eines Doppelpfeils in die Lagergasse eingefahren und wieder aus ihr herausgefahren werden. Es ist also möglich, die Konsole 33 neben einer zu bearbeitenden Lagerbohrung 7 so zu positionieren, dass die Umlenkeinrichtung 31 etwa dort positioniert ist, wo die Drehachse 9 verläuft.
In der 6 ist die Steuereinrichtung 11 in einer ersten Arbeitsposition dargestellt. In dieser ersten Arbeitsstellung trifft der von der Steuereinheit 11 ausgehende Laserstrahl 13 direkt auf den Teil der Lagerbohrung 7, der sich im Lagerstuhl bzw. im Zylindergehäuse 5 befindet. Ausgehend von der in der 6 dargestellten Position bzw. Richtung des Laserstrahls 13 wird durch Auslenken des Laserstrahls 13 in Richtung einer X-Achse und einer Y-Achse ein Segment 19.6 in dem Teil der Lagerbohrung 7, der im Zylindergehäuse 5 angeordnet ist, aufgeraut.
In dieser ersten Arbeitsstellung kann der Teil der Lagerbohrung 7, der in dem Lagerdeckel 3 angeordnet ist, nicht erreicht werden. Um diesen Teil der Lagerbohrung 7 zu erreichen und teilweise aufzurauen, schwenkt die Steuereinrichtung 11 in eine zweite Arbeitsstellung (siehe 7), bei der der Laserstrahl 13 auf die Umlenkeinrichtung 31 trifft. An der Umlenkeinrichtung 31 wird der Laserstrahl 13 umgelenkt und auf den Teil der Lagerbohrung 7 gelenkt, der im Lagerdeckel 3 vorhanden ist. In dieser zweiten Arbeitsstellung kann durch Ansteuern der Steuereinrichtung 11 der Laserstrahl 13 ebenfalls in zwei Achsen gesteuert werden und somit ein Segment 19.7 geschaffen werden, indem die Oberfläche der Lagerbohrung 7 aufgeraut ist.
Sobald eine Lagerbohrung auf diese Weise bearbeitet wurde, wird die Konsole zur nächsten Lagerbohrung 7 verfahren und der Prozess beginnt von neuem. Falls erforderlich, kann das Zylindergehäuse 5 und mit ihr die Lagerdeckel 7 um die Drehachse 9 gedreht werden. Dann ist es auch mit dieser Vorrichtung möglich, die mehreren um den Umfang verteilten Segmente 19 aufzurauen und so die gewünschte Anzahl aufgerauter Flächen an der Gesamtoberfläche der Lagerbohrungen 7 herzustellen.
Die Herstellung von bereichsweise aufgerauten erfindungsgemäßen Lagerbohrungen kann mit Hilfe der in den Verfahrensansprüchen beanspruchten Verfahren erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn, die Leistungsdichte [W/mm²] und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (13) so gewählt und aufeinander sowie den Werkstoff aus dem die Lagerbohrung gefertigt ist abgestimmt werden, dass die Oberfläche der Lagerbohrung kurzzeitig aufgeschmolzen wird und anschließend so erstarrt, dass ein erhabener Schmelzaufwurf ohne angrenzende Vertiefungen entsteht. Diese Parameter kann ein Fachmann durch Versuche für jede Lagerbohrung herausfinden. Üblicherweise entsteht beim Aufrauen durch einen Laserstrahl eine Vertiefung und zu beiden Seiten der Vertiefung ein Schmelzaufwurf. Es hat sich bei Versuchen durch die Erfinder überraschender Weise gezeigt, dass es durch eine geeignete Abstimmung der o. g. Parameter möglich ist, Schmelzaufwürfe ohne Vertiefung herzustellen. Weil die Vertiefungen, die beim Aufrauen nach dem Stand der Technik entstehen, keinen Beitrag zur Verbesserung der Haftreibung leisten, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die aufzurauende Fläche verringert oder bei gleicher Fläche der Segmente die Haftreibung signifikant erhöht werden. Dieses Verfahren kann bei allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen aber auch mit anderen Vorrichtungen eingesetzt werden.
Die Laserbearbeitung der Lagerbohrung wird besonders vereinfacht, wenn die Steuereinrichtung den Laserstrahl innerhalb eines Segments so über die Lagerbohrung führt, dass eine Bogenhöhe BH des Segments kleiner als 0,8 mm ist. Dann muss ein Brennpunkt des Laserstrahls während der Bearbeitung nicht verändert werden. Diese Verfahrensführung lässt sich bei den Vorrichtungen realisieren, die in den 1a, 1b, 3a - f, 4, 5a und b, und optional 6 und 7 dargestellt sind.
Die Beschränkung auf eine Bogenhöhe des zu bearbeitenden Segments BH kann entfallen, wenn der Laserstrahl und die Vorrichtung während der Laserbearbeitung relativ zueinander bewegt werden und der Laserstrahl während der Bearbeitung eine Drehachse Lagerbohrung schneidet. Diese Verfahrensführung lässt sich bei den Vorrichtungen realisieren, die in den Figuren 3a -f, 4, 5a dargestellt sind.
Alternativ dazu kann der Brennpunkt des Laserstrahls (13) entsprechend dem Abstand zwischen der Steuereinrichtung und dem Punkt an dem der Laserstrahl auf der Oberfläche der Lagerbohrung auftrifft gesteuert werden. Diese Verfahrensführung lässt sich bei den Vorrichtungen realisieren, die in den 2 und optional 6 und 7 dargestellt sind.
Allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren ist gemeinsam, dass die Positionierung des Laserstrahls auf der zur Lagerbohrung durch die Bewegung des Strahlwerkzeugs oder durch die Bewegung des Werkstückes, zum Beispiel des Lagerdeckels erfolgt. Zur Strukturierung innerhalb der Strukturfelder wird der Laserstrahl durch einen Scanner ausgelenkt. Es werden Segmente gebildet, die eine durch den Laserstrahl erzeugte sehr große Rauigkeit aufweisen. Zwischen den Segmenten bleibt die möglichst glatte mit hoher Formgüte vorgearbeitete Oberfläche erhalten, zur Aufrechterhaltung einer guten Wärmeableitung aus den Lagern. Je größer der Anteil der Segmente an der Fläche der Lagerbohrung ist, umso größer wird die Sicherheit gegen das unerwünschte Verdrehen der Lagerschale.

Claims

Vorrichtung zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) einer Lagergasse umfassend eine Laserstrahlquelle und ein drehantreibbares Strahlwerkzeug (25), wobei im Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle und den zu bearbeitenden Lagerbohrungen (7) mindestens eine Steuereinrichtung (11) für den Laserstrahl (13) angeordnet ist, wobei der Laserstrahl (13) mittels der mindestens einen Steuereinrichtung (11) in Richtung von zwei Koordinaten-Achsen (X- Achse, Y-Achse) steuerbar ist und wobei ein Durchmesser (D_SW) des Strahlwerkzeugs (25) kleiner als ein Durchmesser (D_LB) der zu bearbeitenden Lagerbohrungen (7) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L_SW) des Strahlwerkzeugs (25) mindestens gleich der Länge (L_LG) der zu bearbeitenden Lagergasse (L_LG) ist, dass eine Steuereinrichtung (11) außerhalb des Strahlwerkzeugs (25) angeordnet ist, und dass das Strahlwerkzeug (25) mehrere feststehende Umlenkeinrichtungen (31) für den Laserstrahl (13) umfasst, und dass die axialen Abstände der Umlenkeinrichtungen (31) den Abständen der Lagerbohrungen (7) entsprechen.
Vorrichtung zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) einer Lagergasse umfassend eine Laserstrahlquelle, eine feststehende Umlenkeinrichtung (31) und eine Steuereinrichtung (11) für den Laserstrahl (13), wobei der Laserstrahl (13) mittels der Steuereinrichtung (11) in Richtung von zwei Koordinaten-Achsen (X- Achse, Y-Achse) steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung (11) den Laserstrahl (13) in einer ersten Arbeitsstellung direkt auf die zu bearbeitende Lagerbohrung (7) lenkt und in einer zweiten Arbeitsstellung den Laserstrahl (13) mittelbar über die Umlenkeinrichtung (31) auf die zu bearbeitende Lagerbohrung (7) lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Laserstrahls (13) vom Austritt aus der Steuereinrichtung (11) bis zum Auftreffen auf der zu bearbeitenden Lagerbohrung (7) in der ersten und in der zweiten Arbeitsstellung gleich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) und die Umlenkeinrichtung (31) auf einer Konsole (33) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug (25) und ein zu bearbeitendes Werkstück (5, 3) relativ zueinander in Richtung der Lagergasse verschiebbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug (25) und ein zu bearbeitendes Werkstück (5, 3) relativ zueinander um eine Drehachse (9) der Lagergasse schwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Koordinaten-Achsen (X-Achse, Y-Achse) orthogonal zu einer Richtung (Z-Achse) des Laserstrahls (13) verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (13) ein oder mehrere Segmente (9) der Lagerbohrung (7) aufraut, und dass eine Bogenhöhe (B_h) des oder der Segmente (9) kleiner ist als eine Rayleigh-Länge des Laserstrahls (13) .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (13) ein oder mehrere Segmente (9) der Lagerbohrung (7) aufraut, und dass eine Bogenhöhe (B_h) des oder der Segmente (9) kleiner ist als 0,8 mm.
Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) mit einem Laserstrahl (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte [W/mm²] und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (13) so gewählt werden, dass die Oberfläche der Lagerbohrung (7) kurzzeitig aufgeschmolzen wird und anschließend so erstarrt, dass ein erhabener Schmelzaufwurf ohne angrenzende Vertiefungen entsteht.
Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) den Laserstrahl (13) innerhalb eines Segments (19) über die Lagerbohrung (7) führt, dass eine Bogenhöhe (B_H) des Segments (19) kleiner als 0,8 mm ist, und das ein Brennpunkt des Laserstrahls (13) während der Bearbeitung nicht verändert wird.
Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (13) und die Vorrichtung während der Laserbearbeitung relativ zueinander bewegt werden, und dass der Laserstrahl (13) während der Bearbeitung eine Drehachse (9) Lagerbohrung (7) schneidet.
Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Lagerbohrungen (7) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) den Laserstrahl (13) innerhalb eines Segments (19) über die Lagerbohrung (7) führt, dass eine Bogenhöhe (BH) des Segments (19) größer oder gleich als 0,8 mm ist, und das der Brennpunkt des Laserstrahls (13) entsprechend dem Abstand zwischen der Steuereinrichtung (11) und dem Punkt an dem der Laserstrahl (13) auf der Oberfläche der Lagerbohrung (7) auftrifft gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug (25) axial und angular vor der Laserbearbeitung eines Segments (19) so in der Lagergasse positioniert wird, dass der Laserstrahl (13) innerhalb des Segments (19) auf die Oberfläche der Lagerbohrung (7) auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (13) unter einem Winkel von 90° auf die Oberfläche der Lagerbohrung (7) trifft.