DE102017102883B4 - Method for removing a coating from a substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Entfernen eines Teilbereichs (22) einer Beschichtung (20) von einem Substrat (14), wobei der zu entfernende Teilbereich durch ein spanabhebendes Verfahren derart entfernt wird, dass ein Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) erfolgt, wobei zum Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) wenigstens ein relativ zu dem Substrat (14) um eine Rotationsachse rotierendes spanabhebendes Werkzeug relativ zu dem Substrat (14) entlang einer Vorschubrichtung (V), welche parallel zu einer die Beschichtung (20) aufweisenden Fläche verläuft, versetzt wird, wobei zusammen mit der Beschichtung (20) auch eine unmittelbar an die Beschichtung (20) angrenzende Substratschicht abgetragen wird und das Werkzeug, in Vorschubrichtung (V) betrachtet, tiefer in das Substrat (14) eindringt als in die zu entfernende Beschichtung (20).Method for removing a partial area (22) of a coating (20) from a substrate (14), wherein the partial area to be removed is removed by a machining process in such a way that an undercut of the partial area (22) of the coating (20) to be removed takes place, wherein for undercutting the partial area (22) of the coating (20) to be removed, at least one machining tool rotating about an axis of rotation relative to the substrate (14) is displaced relative to the substrate (14) along a feed direction (V) which runs parallel to a surface having the coating (20), wherein together with the coating (20) a substrate layer directly adjacent to the coating (20) is also removed and the tool, viewed in the feed direction (V), penetrates deeper into the substrate (14) than into the coating (20) to be removed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen eines Teilbereichs einer Beschichtung von einem Substrat, insbesondere in einem Teilbereich eines Zylinders eines Motorblocks einer Verbrennungsmotors.The present invention relates to a method for removing a partial region of a coating from a substrate, in particular in a partial region of a cylinder of an engine block of an internal combustion engine.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein bereichsweise mit einer Beschichtung versehenes Substrat. Bei dem Substrat kann es sich z. B. um eine Innenfläche einer Zylinderwand eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors handeln. Dementsprechend kann es sich um ein Substrat aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer anderen Leichtmetalllegierung handeln. Auf das Substrat wird eine Beschichtung in einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht. Bei dem thermischen Spritzverfahren kann es sich beispielsweise um Lichtbogendrahtspritzen (LDS) handeln. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird ein Spritzwerkwerkstoff mithilfe eines Lichtbogens und eines Zerstäubergases auf das Substrat, z.B. eine Zylinderwand geblasen.The starting point of the invention is a substrate provided with a coating in some areas. The substrate can be, for example, an inner surface of a cylinder wall of a crankcase of an internal combustion engine. Accordingly, it can be a substrate made of aluminum, an aluminum alloy or another light metal alloy. A coating is applied to the substrate using a thermal spraying process. The thermal spraying process can be, for example, arc wire spraying (LDS). In arc wire spraying, a spray material is blown onto the substrate, e.g. a cylinder wall, using an arc and an atomizing gas.
Eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Beschichtung, insbesondere eine Zylinderlaufflächenbeschichtung, misst nur wenige Zehntelmillimeter und weist eine sehr hohe Härte auf. Eine spanende (Nach-)Bearbeitung eines derart beschichteten Substrats, insbesondere eines Kurbelgehäusebereichs, ist daher mit sehr hohem Werkzeugverschleiß verbunden. Nichtsdestotrotz müssen bestimmte Teilbereiche eines Kurbelgehäuses nach dem Beschichten der Zylinderlaufflächen spanend bearbeitet werden.A coating applied by thermal spraying, in particular a cylinder bore coating, measures only a few tenths of a millimeter and is very hard. Machining (post-)processing of a substrate coated in this way, in particular a crankcase area, is therefore associated with very high tool wear. Nevertheless, certain parts of a crankcase must be machined after the cylinder bores have been coated.
Aus der
Ein gattungsähnliches Verfahren ist in der
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Entfernen eines Teilbereichs einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten Beschichtung von einem Substrat anzugeben, bei welchem der Werkzeugverschleiß reduziert ist.It is the object of the invention to provide a method and a tool for removing a portion of a coating applied by thermal spraying from a substrate, in which tool wear is reduced.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch ein Verfahren, bei welchem der zu entfernende Teilbereich durch ein spanabhebendes Verfahren derart entfernt wird, dass ein Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung erfolgt, wobei zum Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung wenigstens ein relativ zu dem Substrat um eine Rotationsachse rotierendes spanabhebendes Werkzeug relativ zu dem Substrat entlang einer Vorschubrichtung, welche parallel zu einer die Beschichtung aufweisenden Fläche verläuft, versetzt wird, wobei zusammen mit der Beschichtung auch eine unmittelbar an die Beschichtung angrenzende Substratschicht abgetragen wird und das Werkzeug, in Vorschubrichtung betrachtet, tiefer in das Substrat eindringt als in die zu entfernende Beschichtung, d.h. mit zunehmendem radialen Abstand von der Rotationsachse dringt das Werkzeug in Vorschubrichtung betrachtet tiefer oder weiter in das Werkstück ein und hinterschneidet somit mit einem radial außen liegenden Teilabschnitt einer Schneidkante des Werkzeugs die Beschichtung. Ein Hinterschneiden bedeutet in diesem Fall, dass nicht die zu entfernende, gehärtete Beschichtung an sich werkzeugbearbeitet wird, sondern durch ein spanendes Verfahren der Materialbereich des Werkstücks entfernt wird, auf dem die Beschichtung angebracht ist. Da dieser Materialbereich eine geringere Härte aufweist, kann die Beschichtung mit relativ geringem Aufwand zumindest bereichsweise abgetragen werden. Somit trägt das Werkzeug die zu entfernende Beschichtung seitlich ab. Unter einem seitlichen Abtragen ist zu verstehen, dass der Abtrag in einer Querrichtung zu einer Flächenorthogonalen der beschichteten Fläche erfolgt, und zwar in Vorschubrichtung.The problem is solved by the features of claim 1 and in particular by a method in which the partial area to be removed is removed by a machining process in such a way that an undercut of the partial area of the coating to be removed takes place, wherein for undercutting the partial area of the coating to be removed at least one machining tool rotating relative to the substrate about a rotation axis is displaced relative to the substrate along a feed direction which runs parallel to a surface having the coating, wherein together with the coating a substrate layer immediately adjacent to the coating is also removed and the tool, viewed in the feed direction, penetrates deeper into the substrate than into the coating to be removed, i.e. with increasing radial distance from the rotation axis the tool penetrates deeper or further into the workpiece viewed in the feed direction and thus undercuts the coating with a radially outer section of a cutting edge of the tool. In this case, undercutting means that the hardened coating to be removed is not machined with the tool itself, but rather the material area of the workpiece on which the coating is applied is removed using a machining process. Since this material area is less hard, the coating can be removed at least in part with relatively little effort. The tool thus removes the coating to be removed laterally. Lateral removal means that the removal takes place in a transverse direction to a surface orthogonal to the coated surface, in the feed direction.
Eine Schneidkante des Werkzeugs ist durch eine während der Bearbeitung über sie hinweg fließende relativ weiche Substratschicht, z.B. eine Aluminiumschicht, geschützt, so dass ein Kontakt mit dem harten Beschichtungsmaterial reduziert oder vermieden wird. Die Dicke der abgetragenen Substratschicht kann nur wenige Zehntelmillimeter betragen.A cutting edge of the tool is protected by a relatively soft substrate layer, e.g. an aluminum layer, which flows over it during machining, so that contact with the hard coating material is reduced or avoided. The thickness of the removed substrate layer can be only a few tenths of a millimeter.
Wenn es sich bei dem Substrat z.B. um eine Zylinderwand eines Zylinders eines Kurbelgehäuses handelt, erfolgt demnach ein Materialabtrag im Wesentlichen in Axialrichtung des Zylinders.If the substrate is, for example, a cylinder wall of a crankcase cylinder, material removal occurs essentially in the axial direction of the cylinder.
Es kann zu Beginn des Entfernungsverfahrens erforderlich sein, durch die Beschichtung hindurch einen Durchstich anzubringen, wonach im weicheren Trägermaterial der Beschichtung die weitere Bearbeitung erfolgt. Hierzu weist das Abtragwerkzeug in der Regel eine Schneidrichtung der Schneidkante auf, die vom Radius einer drehenden Arbeitsbewegung abgewinkelt ist, um eine Hinterschneidung der Beschichtung herstellen zu können.At the beginning of the removal process, it may be necessary to make a hole through the coating, after which further processing takes place in the softer substrate material of the coating. For this purpose, the removal tool usually has a cutting direction of the cutting edge that is angled from the radius of a rotating working movement in order to be able to create an undercut in the coating.
Durch das Hinterschneiden befindet sich das Werkzeug in einem Arbeitswinkel zu der Beschichtung, bei dem der Verschleiß des Werkzeugs reduziert ist.By undercutting, the tool is at a working angle to the coating, which reduces tool wear.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be taken from the claims, the description and the drawings.
Vorteilhafterweise ist das spanabhebende Werkzeug eine Schneidplatte.Advantageously, the cutting tool is a cutting plate.
Vorteilhafterweise verläuft die Vorschubrichtung parallel zu der Rotationsachse.Advantageously, the feed direction runs parallel to the axis of rotation.
Das Werkzeug kann beispielsweise an einer rotierenden Spindel gehalten sein. Alternativ kann auch das Werkzeug nicht rotierend gelagert sein und das Substrat wird rotiert.The tool can be held on a rotating spindle, for example. Alternatively, the tool can be mounted in a non-rotating manner and the substrate can be rotated.
Das Werkzeug kann beispielsweise entlang der Vorschubrichtung verstellbar sein. Alternativ kann auch das Substrat entlang der Vorschubrichtung verstellbar sein. For example, the tool can be adjustable along the feed direction. Alternatively, the substrate can also be adjustable along the feed direction.
Vorteilhafterweise ist das Werkzeug an einer rotierenden, entlang der Vorschubrichtung verstellbaren Spindel gehalten.Advantageously, the tool is held on a rotating spindle that is adjustable along the feed direction.
Vorteilhafterweise ist das Werkzeug derart gehalten, dass eine zum Abtragen der Beschichtung vorgesehene Schneidkante des Werkzeugs schräg zu der Vorschubrichtung verläuft, insbesondere in einem Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise von 40° bis 50°. Ein Freiflächenwinkel der Schneidkante kann beispielsweise 10° bis 25°, vorzugsweise 15° bis 20° und insbesondere 16° bis 17° betragen.Advantageously, the tool is held in such a way that a cutting edge of the tool intended for removing the coating runs obliquely to the feed direction, in particular at an angle of 30° to 60°, preferably 40° to 50°. A flank angle of the cutting edge can be, for example, 10° to 25°, preferably 15° to 20° and in particular 16° to 17°.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Erzeugen einer hinterschneidungsfreien Nut, insbesondere einer Ringnut, in einem Teilabschnitt des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung. Der Teilabschnitt dient insbesondere dem Einführen des Werkzeugs in eine Startposition, bevor das seitliche Abtragen der Beschichtung durch Hinterschneiden der Beschichtung durchgeführt wird. Das Erzeugen der Nut erfolgt insbesondere mit einem anderen Werkzeug als dem für das seitliche Abtragen der Beschichtung vorgesehenen Werkzeug, insbesondere mittels eines bevorzugt rotierenden Schleifwerkzeugs. Die Nut erstreckt sich vorzugsweise durch die zu entfernende Schicht hindurch und insbesondere in das Substrat hinein. Der Teilabschnitt, in den die Nut eingebracht wird, ist in der Regel wesentlich kleiner als der gesamte zu entfernende Teilbereich der Beschichtung, und vorzugsweise gerade so groß, dass das Werkzeug in der Nut aufgenommen wird, um in eine zum Hinterschneiden der Beschichtung geeignete Startposition zu gelangen. Die Fläche der Nut beträgt insbesondere weniger als 50%, vorteilhafterweise weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% der Fläche der zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung. Dadurch wird gewährleistet, dass der Werkzeugverschleiß des hinterschneidenden Werkzeugs möglichst gering ist.The method according to the invention advantageously comprises the creation of an undercut-free groove, in particular an annular groove, in a partial section of the partial area of the coating to be removed. The partial section serves in particular to introduce the tool into a starting position before the lateral removal of the coating is carried out by undercutting the coating. The groove is created in particular with a different tool than the tool provided for the lateral removal of the coating, in particular by means of a preferably rotating grinding tool. The groove preferably extends through the layer to be removed and in particular into the substrate. The partial section into which the groove is introduced is generally significantly smaller than the entire partial area of the coating to be removed, and preferably just large enough for the tool to be received in the groove in order to reach a starting position suitable for undercutting the coating. The area of the groove is in particular less than 50%, advantageously less than 25%, preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of the area of the partial area of the coating to be removed. This ensures that the tool wear of the undercutting tool is as low as possible.
Sofern es sich bei dem Substrat um eine Zylinderwand eines Zylinders eines Kurbelgehäuses handelt, kann der zu entfernende Teilbereich der Beschichtung in einem Endabschnitt, insbesondere einem kurbelwellenseitigen Endabschnitt des Zylinders, insbesondere im Bereich eines Honfreigangs, vorgesehen sein. Mit der erfindungsgemäßen Nachbearbeitung kann ein sogenannter Honfreigang, d.h. eine ringartige Aussparung, bearbeitet oder erzeugt oder zumindest das einer Erzeugung des Honfreigangs vorausgehende Entfernen der Beschichtung vorgenommen werden. Nach Erzeugen des Honfreigangs kann die auf den ersten Teilbereich aufgebrachte Beschichtung gehont werden. Der Honfreigang wird benötigt, damit ein Honwerkzeug sauber auslaufen kann.If the substrate is a cylinder wall of a cylinder of a crankcase, the partial area of the coating to be removed can be provided in an end section, in particular an end section of the cylinder on the crankshaft side, in particular in the area of a honing clearance. With the post-processing according to the invention, a so-called honing clearance, i.e. a ring-like recess, can be machined or created or at least the removal of the coating prior to the creation of the honing clearance can be carried out. After the honing clearance has been created, the coating applied to the first partial area can be honed. The honing clearance is required so that a honing tool can run out cleanly.
Ein Zerspannungswerkzeug, insbesondere ein Schleifwerkzeug, zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens umfasst einen an einer Spindel befestigten Werkzeughalter, der zumindest ein, insbesondere zwei radial gegenüberliegende Schneidkanten, bevorzugt auf Schneidplatten angeordnete Schneidkanten, aufweist, die radial verstellbar sind. Die Schneidkanten können in Richtung Spindel oder an einer der Spindel abgewandten Seite am Werkzeughalter angeordnet sein, um durch eine Zug- oder Druckbewegung der Spindel ein Abfräsen der Substratschicht zu ermöglichen.A cutting tool, in particular a grinding tool, for carrying out the aforementioned method comprises a tool holder which is attached to a spindle and has at least one, in particular two radially opposite cutting edges, preferably cutting edges arranged on cutting plates, which are radially adjustable. The cutting edges can be arranged in the direction of the spindle or on a side of the tool holder facing away from the spindle in order to enable the substrate layer to be milled off by a pulling or pushing movement of the spindle.
Somit umfasst eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Werkzeuganordnung einen eine Rotationsachse aufweisenden Werkzeughalter und wenigstens ein eine Schneidkante aufweisendes spanabhebendes Werkzeug, welches an dem Werkzeughalter fest oder lösbar befestigt ist, wobei die Schneidkante von der Rotationachse beabstandet ist, und wobei eine entlang der Schneidkante verlaufende Gerade mit der Rotationsachse einen spitzen Winkel einschließt, so dass sich der Abstand eines Punktes auf der Schneidkante von einer gedachten, orthogonal zur Rotationsachse verlaufenden Stirnfläche mit zunehmendem Abstand dieses Punktes von der Rotationsachse vergrößert. Der Winkel zwischen der Schneidkante und der Rotationsachse beträgt insbesondere zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°. Diese Werkzeuganordnung ermöglicht ein effizientes Hinterschneiden des gehärteten Substrats mit einer niedrigen Verschleißrate und hoher Standzeit der Werkzeuganordnung. Eine radiale Verstellung der Schneidkanten nach Einfahren der Spindel in das Innere eines Hohlzylinders, z.B. in eine Motorgehäusen-Zylinderbuchse ermöglicht im Inneren ein Ausfahren der Schneidkanten und Hinterschneiden der harten Zylinderwandung.Thus, a tool arrangement suitable for carrying out the method according to the invention comprises a tool holder having a rotation axis and at least one cutting tool having a cutting edge, which is fixedly or detachably attached to the tool holder, wherein the cutting edge is spaced from the rotation axis, and wherein a straight line running along the cutting edge forms an acute angle with the rotation axis, so that the distance of a point on the cutting edge from an imaginary end face running orthogonal to the rotation axis increases with increasing distance of this point from the rotation axis. The angle between the cutting edge and the rotation axis is in particular between 30° and 60°, preferably between 40° and 50°. This tool arrangement enables efficient undercutting of the hardened substrate with a low wear rate and a long service life of the tool arrangement. A radial adjustment of the cutting edges after retracting the spindle into the interior of a hollow cylinder, e.g. into an engine housing cylinder bushing, enables the cutting edges to be extended and the hard cylinder wall to be undercut inside.
Das erfindungsgemäße Verfahren und ein Werkzeughalter werden nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.The method according to the invention and a tool holder are described below by way of example with reference to the drawings.
ZEICHNUNGENDRAWINGS
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the description of the drawings. The drawing shows embodiments of the invention. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.
Es zeigen:
-
1 bis 7 zeigen Schnittansichten eines zu bearbeitenden Werkstücks und der erforderlichen Werkzeuge und erläutern den zeitlichen Ablauf des Verfahrens; -
8 zeigt verschiedene Ansichten eines Werkzeughalters mit zwei Werkzeugen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
9 zeigt verschiedene Ansichten des Werkzeughalters von8 ; -
10 zeigt verschiedene Ansichten eines Werkzeughalters mit zwei Werkzeugen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
11 zeigt eine Schnittansicht eines Werkzeugs während des Abtragens einer Beschichtung eines Substrats; -
12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht von11 .
-
1 to 7 show sectional views of a workpiece to be machined and the required tools and explain the timing of the process; -
8th shows different views of a tool holder with two tools according to a first embodiment; -
9 shows different views of the tool holder of8th ; -
10 shows different views of a tool holder with two tools according to a second embodiment; -
11 shows a sectional view of a tool during the removal of a coating from a substrate; -
12 shows an enlarged section of the sectional view of11 .
Ein exemplarischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.In the figures, identical or similar components are numbered with identical reference symbols.
Es wird beispielhaft das Abtragen eines Teilbereichs 22 einer harten Beschichtung 20 erläutert, die durch ein thermisches Spritzverfahren auf einem weichen Substrat, nämlich einer Innenfläche oder Zylinderwand 12 eines Zylinders 10 eines Aluminium-Kurbelgehäuses 14 eines Verbrennungsmotors aufgebracht wurde.The removal of a
In Schritt 1 (
In Schritt 2 (
In Schritt 3 (
In Schritt 4 (
An einer End- oder Stirnseite des Werkzeughalters 26 sind zwei einander gegenüberliegende, in radialer Richtung verstellbare Klemmbacken 28 vorgesehen, in denen eine jeweilige Schneidplatte 30 als spanabhebendes Werkzeug gehalten ist. Der Werkzeughalter 26 ist nochmals in
In Schritt 5 (
In Schritt 6 (
In Schritt 7 (
Eine alternative Ausführungsform eines Werkzeughalters 126, der ebenfalls zwei radial verstellbare Klemmbacken 128 aufweist, in denen eine jeweilige Schneidplatte 130 mit einer Schneidkante 132 als spanabhebendes Werkzeug gehalten ist, ist in
Der Werkzeughalter 26 bzw. 126 kann vorteilhafterweise eine Innenkühlung aufweisen, bei welcher Kühlmittel über im Inneren der Spindel 24, 124 und des Werkzeughalters 26,126 vorgesehene Kühlmittelkanäle an die Schneidplatten 30, 130 zugeführt wird.The
Die Werkzeuganordnung und die Geometrie der Schneidplatte sind im Detail in den
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Zylindercylinder
- 1212
- ZylinderwandCylinder wall
- 1414
- Kurbelgehäuse, SubstratCrankcase, substrate
- 1616
- SchleifwerkzeugGrinding tool
- 1818
- RingnutRing groove
- 2020
- BeschichtungCoating
- 2222
- TeilbereichSub-area
- 24, 12424, 124
- Spindelspindle
- 26, 12626, 126
- WerkzeughalterTool holder
- 28, 12828, 128
- KlemmbackeClamping jaw
- 30, 13030, 130
- SchneidplatteCutting plate
- 32, 13232, 132
- SchneidkanteCutting edge
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