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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von beschichteten Oberflächen, insbesondere von reibungsarmen Zylinderbohrungen für Verbrennungsmotoren.
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Es ist bekannt, Oberflächen, wie Werkstückoberflächen, wie beispielsweise die Zylinderbohrungen oder Zylinderöffnungen in Brennkraftmaschinen zunächst aufzurauen und anschließend zu beschichten, um die Laufeigenschaft des Kolbens in der Zylinderöffnung zu verbessern.
Bspw. wird hierzu thermisches Spritzen zum Aufbringen der Beschichtung verwendet. Herkömmliche Prozessketten sehen bspw. zunächst die Bearbeitung der Zylinderoberfläche mittels Aufrauens oder Laseraufrauens vor. Anschließend werden die Zylinderkurbelgehäuse üblicherweise zu einer nächsten Bearbeitungsmaschine transferiert, gegebenenfalls vorab noch zu einer Zwischenmesseinrichtung oder Zwischenmessvorrichtung, bei denen die Aufrauqualität zunächst vermessen wird. Anschließend wird in einer separaten Bearbeitungsmaschine ein beispielsweise thermischer Spritzprozess durchgeführt, um die aufgeraute Zylinderoberfläche zu beschichten. Üblicherweise wird anschließend auf einer separaten Honmaschine eine Honbearbeitung durchgeführt, um die gewünschte Oberflächentopologie der Beschichtungsschicht zu erhalten.
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Die thermischen Spritzschichten, insbesondere nachdem sie einer Honbearbeitung unterzogen wurden, sind reibungs- und verschleißarm und erlauben die Optimierung von Verbrennungsmotoren, besonders hinsichtlich der Verringerung der Abgasemissionen. Teilweise wird die Honbearbeitungsoperation in mehreren Schritten durchgeführt, um die spritzraue Oberfläche in eine tribologisch geeignete Topographie zu überführen. Gegebenenfalls ist im Sinne der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen im Rahmen der Honoperation eine bestimmte Zylindergeometrie aufzuprägen. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine besonders effizient arbeitende Bearbeitungsmaschine herzustellen, bei der wenig Totzeiten entstehen und die Bearbeitungstaktung möglichst effizient durchgeführt wird. Bei einer gattungsgemäßen Bearbeitungsmaschine ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bearbeitungsmaschine eine Aufraustation, eine Beschichtungsstation und eine maschineninterne Transfereinrichtung aufweist.
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Die Aufraustation ist insbesondere mit einer Laseraufraueinheit ausgebildet. Die Laseraufraueinheit weist insbesondere eine Laserbearbeitungsspindel auf, die zum Eintauchen in die zu bearbeitende Zylinderbohrung ausgebildet ist. Typischerweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zur Bearbeitung vorgesehene Laserstrahl die Laseraufrauspindel in einem Winkel verlässt, der geneigt zur Längsachse der Zylinderbohrung sowie geneigt zu einer orthogonal zur Längsachse der Zylinderbohrung verlaufenden Ebene angeordnet ist. Die Aufraueinheit kann jedoch auch als mechanische Aufraueinheit ausgebildet sein. Denkbar ist die Verwendung einer Formschneideeinheit, welche gegebenenfalls mit einer Diamantwalze kombiniert zum Einsatz kommen kann. Denkbar ist auch die Verwendung eines Wasserstrahls (typischer Druck 3000bar) oder eines Korundstrahls.
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Die Beschichtungsstation weist typischerweise eine thermische Spritzbeschichtungseinheit auf. Diese thermische Spritzbeschichtungseinheit kann beispielsweise als thermische Spritzspindel ausgebildet sein.
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Die maschineninterne Transfereinrichtung ist vorzugsweise als Drehtisch ausgebildet. Die maschineninterne Transfereinrichtung ist derart bezüglich der einzelnen Stationen der Bearbeitungsmaschine angeordnet, dass ein in der Aufraustation bearbeitetes Werkstück von dieser zur Beschichtungsstation transportieren kann. Insbesondere wenn die Transfereinrichtung als Drehtisch ausgebildet ist, kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsmaschine eine kombinierte Be- und Entladestation umfasst. Damit ist gemeint, dass die einzuladenden Werkstücke und die zu entladenden Werkstücke in derselben Station in die Bearbeitungsmaschine und aus der Bearbeitungsmaschine geladen werden. Zunächst wird ein bearbeitetes und ggf. vermessenes Werkstück aus der Maschine entladen, bspw. über einen Portallader, und anschließend ein zu bearbeitendes Werkstück in die Maschine geladen. Die Transfereinrichtung kann auch als Linearförderer, insbesondere als Schritthubtransporteinrichtung, ausgebildet sein. Bei Verwendung eines Linearförderers sind Belade- und Entladestation räumlich voneinander getrennt. An der Beladestation kann eine Vormesseinrichtung angeordnet sein. An der Entladestation kann eine Nachmesseinrichtung angeordnet sein. An den einzelnen Stationen können die Bearbeitungseinheiten (bspw. Spritzbeschichtungseinheit und Laseraufraueinheit) und die Messeinheiten (Vormesseinrichtung, Nachmesseinrichtung und Zwischenmesseinrichtung) jeweils an portalartigen Ständeranordnungen, insbesondere orthogonal zur Transportrichtung verfahrbar, angeordnet sein. Dies kann zum Anfahren der einzelnen Zylinderbohrungen eines Kurbelgehäuses dienen. Die Verfahrbarkeit der einzelnen Einrichtungen kann dabei über Schlittenanordnungen realisiert sein. Die Vormesseinrichtung kann zur optischen, pneumatischen oder taktilen Vermessung ausgebildet sein. Die Nachmesseinrichtung kann zur optischen, pneumatischen oder taktilen Vermessung ausgebildet sein. Die Zwischenmesseinrichtung zur optischen, pneumatischen oder taktilen Vermessung ausgebildet sein.
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Es kann bei der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein, dass die Aufraustation über bewegliche Wandabschnitte von den übrigen Stationen abgetrennt ist. Ebenso kann dies für die Beschichtungsstation vorgesehen sein.
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Mit beweglichen Wandabschnitte sind schottartige Portale gemeint, die die Stationen voneinander trennen. Insbesondere sind die beweglichen Wandabschnitte, die bei der Aufraustation als auch bei Beschichtungsstation vorgesehen sein können zum Öffnen und Schließen für einen Transfervorgang der Transfereinrichtung in der Ebene ihrer Erstreckung bewegbar. Zur Durchführung eines Transfervorgangs können die beweglichen Wandabschnitte bspw. angehoben werden, um einen Transport der Werkstücke zur jeweils nächsten Arbeitsstation zu ermöglichen. Mittels der beweglichen Wandabschnitte können die unterschiedlichen Stationen ohne gegenseitige störende Einflüsse auf engem Raum angeordnet und über die vorzugsweise als Rundtisch ausgebildete Transfereinrichtung bedient werden. Insbesondere sind die beweglichen Wandabschnitte in vertikaler Richtung verschiebbar in der Bearbeitungsmaschine angeordnet. Denkbar ist beispielsweise eine kreuzartig verlaufende Anordnung von Wandabschnitten zur Abtrennung der einzelnen Bearbeitungsstationen. Diese können zur Durchführung eines Transfervorgangs vertikal nach oben bewegt werden, sodass die Zylinderkurbelgehäuse durch Bewegung des Drehtisches von einer Station zur nächsten bewegt werden können. Die beweglichen Wandabschnitte dichten dabei die einzelnen Bearbeitungsstationen nicht vollständig gegeneinander ab, sondern dienen dazu einen Verschmutzungsübertrag von einer Bearbeitungsstation in die andere zu verhindern. Insbesondere wird verhindert, dass beispielsweise beim Laseraufrauen entstehende Partikel in die Messstation übertragen werden oder auch Partikel, die beim thermischen Spritzen anfallen, sich ungehindert ausbreiten. Ebenfalls bieten die Wandabschnitte eine Absicherung gegen Laserstrahlung, die von der Laseraufrauspindel versehentlich außerhalb einer Zylinderbohrung abgegeben wird. Mit anderen Worten, die Wandabschnitte können insbesondere die Funktion erfüllen bzw. dazu ausgebildet sein die Laserstation strahlungssicher einzuhausen und/oder eine Emission von Staub und Lärm durch die Beschichtungsstation zu begrenzen bzw. zu unterbinden.
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Eine Art des Aufbaus der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine kann sein, dass die Transfereinrichtung als Drehtisch ausgebildet ist, der wiederum ausgebildet ist, um in einem Transfertakt, in dem eine Transferbewegung um 90° durchgeführt wird, ein Werkstück von einer Station zur nächsten zu bewegen. Typischerweise wird dazu von einer kombinierten Be- und Entladestation ein Werkstück in dem Transfertakt, also in der Transferbewegung um 90° bewegt und der Aufraustation zugeführt. Von dieser Aufraustation wiederum wird im gleichen Transfertakt ein bereits aufgerautes Werkstück einer Zwischenmessstation, die wiederum um 90° versetzt ist zugeführt. Aus der Zwischenmessstation kann ein bereits vermessenes Werkstück im gleichen Transfertakt der Beschichtungsstation zugeführt werden. Aus der Beschichtungsstation wiederum kann ein bereits beschichtetes Werkstück der Be- und Entladestation zugeführt werden.
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Typischerweise ist an der Zwischenmessstation eine Messspindel angeordnet. Die Dauer zur Vermessung einer Zylinderbohrung bspw. ist typischerweise eher gering ggü. den anderen in der Maschine ablaufenden Vorgängen.
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An der Beschichtungsstation können zwei Beschichtungsspindeln angeordnet sein, da dieser Arbeitsschritt typischerweise pro Spindel die längste Zeitdauer benötigt.
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An der Aufraustation kann wiederum eine Laseraufrauspindel angeordnet sein. Da das Aufrauen mittels eines Laserstrahls typischerweise ebenfalls eher schnell verläuft.
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Am Beispiel eines vierzylindrigen Zylinderkurbelgehäuses wird dann in einem Arbeitstakt, also zwischen zwei Transfertakten jeweils eine Bearbeitung jede der Zylinderbohrungen durch die Laseraufrauspindel durchgeführt. Ebenso wird jede der Zylinderbohrungen in der Zwischenmessstation über die Messspindel vermessen. In der Beschichtungsstation wiederum werden je zwei Zylinderbohrungen durch eine Beschichtungsspindel thermisch beschichtet. Im Anschluss an diesen Beschichtungsvorgang werden die Zylinderkurbelgehäuse zur jeweils nächsten Station über einen Transfervorgang bewegt.
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Zur Durchführung des Transfervorgangs können die gegebenenfalls vorhandenen beweglichen Wandabschnitte aus der Transferbahn bewegt werden, sodass die Werkstücke, bspw. Zylinderkurbelgehäuse, ungestört um 90° durch eine Verschwenkbewegung bewegt werden können.
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Im Sinne der Erfindung ist jedoch auch eine Ausbildung der Bearbeitungsmaschine, bei der die Transfereinrichtung als Drehtisch ausgebildet ist, der wiederum ausgebildet ist, um mit einem Transfertakt, in dem eine Transferbewegung um 120° durchgeführt wird, die Werkstücke von den einzelnen Bearbeitungsstationen zur nächsten zu bewegen. Typischerweise wird dabei von einer kombinierten Be- und Entladestation in einem Transfertakt ein Werkstück der Aufraustation zugeführt und wiederum aus dieser ein bereits aufgerautes Werkstück im gleichen Transfertakt der Beschichtungsstation zugeführt. Ein bereits beschichtetes Werkstück wird im gleichen Transfertakt in die Be- und Entladestation überführt, in welcher es aus der Bearbeitungsmaschine entnommen werden kann.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsmaschine eine kombinierte Absaugeinrichtung umfasst, die je wenigstens eine Absaugöffnung für die Aufraustation und für die Beschichtungsstation aufweist. Idealerweise sind die Absaugströme und damit in die jeweilige Station eingeleiteten Unterdrücke unabhängig voneinander, bspw. mittels einer entsprechenden Einstelleinrichtung, einstellbar. Typischerweise werden die beiden Absaugströme jedoch in der kombinierten Absaugeinrichtung zusammengeführt und entsprechend gereinigt. Die Absaugeinrichtung weist insbesondere eine gemeinsame Unterdruckquelle für beide Absaugöffnungen auf.
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Wie bereits erwähnt, so kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Beschichtungsstation zwei Beschichtungseinheiten mit je einer Beschichtungsspindel zur Durchführung eines Beschichtungsprozesses durch thermisches Spritzen umfasst. Vorgesehen können hierbei insbesondere sein, Drahtbeschichtungsverfahren, Mono- oder Twinwire-Beschichtungsverfahren oder auch Pulverbeschichtungsverfahren.
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An der kombinierten Be- und Entladestation ist vorzugsweise eine Vormess- und/oder eine Nachmesseinrichtung angeordnet. Die Vormesseinrichtung erfasst typischerweise ob die zu bearbeitende Zylinderbohrung in ihren Ausgangseigenschaften adäquat hergestellt wurde. Hierzu wird insbesondere die Achslage (Lage der Längsachse) der Zylinderbohrung überprüft sowie die Oberflächenrauigkeit der zu bearbeitenden Zylinderbohrung. Die Nachmesseinrichtung erfasst anschließend die Qualität der Beschichtung der Zylinderbohrung.
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Wie im obigen detailliert ausgeführten Beispiel der Bearbeitungsmaschine mit Transfereinrichtung und Transfertakt um 90° kann es insbesondere allgemein vorgesehen sein, wenn die Bearbeitungsmaschine eine Transfereinrichtung aufweist, die in einem Transfertakt eine eigene Zwischenmessstation beschicken kann. Die Zwischenmessstation ist hierzu zwischen Aufrau- und Beschichtungsstation angeordnet. Die Zwischenmessstation weist zur Vermessung der aufgerauten Oberfläche eine Zwischenmesseinrichtung auf, die typischerweise eine in die Zylinderbohrung einfahrbare Messspindel umfasst.
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Es kann zusätzlich zu den oben genannten Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsmaschine eine über die Transfereinrichtung, die als Drehtisch ausgebildet ist, in dem Transfertakt beschickbare Honstation aufweist. Die Honstation weist wenigstens eine, insbesondere jedoch zwei Honeinheiten mit je einer Honspindel auf. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Transfereinrichtung einen Transfer von Be- und Entladestation zur Aufraustation und von dort zur Beschichtungsstation und abschließend zur Honstation und zurück zur Be- und Entladestation durchführt. Hierzu ist die Transferbewegung je Transfertakt ebenfalls um 90°. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Transferbewegung gleichwinklig auf fünf Stationen aufgeteilt ist, dass also die einzelne Transferbewegung 72° umfasst. Beispielsweise kann nach der Aufraustation eine Zwischenmessstation vorgesehen sein. Denkbar ist jedoch auch eine Transferbewegung um 60°, sodass der Transfer von Be- und Entladestation zur Aufraustation, zur Zwischenmessstation, zur Beschichtungsstation, zur Messstation, zur Honbearbeitungsstation und wieder zurück zur Be- und Entladestation erfolgen kann.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit der nachfolgenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine ist in 1 gezeigt und trägt insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Bearbeitungsmaschine 10 weist ein Maschinenbett 12 auf, auf welchem sämtliche Arbeitsstationen der Bearbeitungsmaschine 10 angeordnet sind.
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Umlaufend um die Bearbeitungsmaschine herum sind in der Bearbeitungsmaschine angeordnet: eine Be- und Entladestation 14, eine Aufraustation 16, eine Zwischenmessstation 18 und eine Beschichtungsstation 20.
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In der Be- und Entladestation können Werkstücke 22, die vorliegend als Zylinderblöcke 24 mit jeweils vier in Reihe angeordneten Zylinderbohrungen 26 ausgebildet sind über einen in der vorliegenden Figur nicht dargestellten Portallader in die Bearbeitungsmaschine 10 eingeladen und entnommen werden. Beim Beladen in die Bearbeitungsmaschine 10 werden die Werkstücke 22 auf einer Transfereinrichtung 28, die vorliegend als Kreuzdrehtisch 30, mit vier Werkstückaufnahmen 32 ausgebildet ist, angeordnet.
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Über die Transfereinrichtung werden die Werkstücke 22 auf einer Kreisbahn 34 von einer Station der Bearbeitungsmaschine 10 zur nächsten Station bewegt. In einem Transfertakt wird ein in die Bearbeitungsmaschine 10 eingeladenes Werkstück 22 zunächst durch eine Bewegung um 90° im Uhrzeigersinn der Aufraustation 16 zugeführt. In der Aufraustation 16 ist eine Aufraueinheit 36, die als Laseraufrauspindel 36 ausgebildet ist, angeordnet. Denkbar ist auch die Anwendung mechanischer Aufraumethoden. Die Laseraufrauspindel 36 kann entlang einer Schiene tangential zur Kreisbahn 34 bewegt werden, um alle Zylinderbohrungen 26 des Werkstücks anfahren zu können.
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Im Anschluss an das Laseraufrauen wird das Werkstück 22 weiter um 90° zur Zwischenmessstation bewegt, an der Zwischenmessstation ist eine Messspindel 38 vorgesehen, welche durch Einfahren in die jeweilige Zylinderbohrung 26 eine optische Oberflächenmessung der aufgerauten Zylinderbohrung 26 durchführen kann.
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Im Anschluss an die optische (taktile oder pneumatische Messungen sind ebenso denkbar) Vermessung der aufgerauten Zylinderbohrungen 26 wird das Werkstück 22 weiter um 90° bewegt und der Beschichtungsstation 20 zugeführt. In der Beschichtungsstation 20 sind zwei Beschichtungseinheiten 40 vorgesehen, welche als thermische Spritzspindeln 40 ausgebildet sind. Mit den thermischen Spritzspindeln 40 werden jeweils zwei der vier Zylinderbohrungen 26 durch thermisches Spritzen beschichtet. Anschließend wird durch eine Transferbewegung um 90° das beschichtete Werkstück 22 der Be- und Entladestation 14 wieder zugeführt und über den Portallader wieder entnommen und ein weiteres Werkstück in die Be- und Entladestation eingeladen und im Transfertakt von einer Station zur nächsten geführt.
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In den einzelnen Stationen kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise in der Be- und Entladestation 14 je Zylinderbohrung ein Vormessschritt durch eine entsprechende Messspindel 42 durchgeführt wird. Die Messspindel 42 kann hierzu beispielweise je Zylinderbohrung 10 Sekunden für einen Messvorgang benötigen. Für die Vermessung in einem Nachmessschritt kann die gleiche Messeinrichtung 42 verwendet werden, welche wiederum beim Nachmessen je Zylinderbohrung 10 Sekunden lang eine Messung durchführt.
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In der Aufraustation kann der Laseraufrauprozess mittels einer Spindel durchgeführt werden, die je Zylinderbohrung 26 beispielsweise 20 Sekunden zum Laseraufrauen benötigt. In der Station 3 kann die Messspindel beispielsweise die Zwischenmessung mit 10 Sekunden je Zylinderbohrung 26 durchführen. Die Beschichtung benötigt typischerweise circa 40 Sekunden je Zylinderbohrung, da zwei Beschichtungsspindeln 40 vorgesehen sind ergibt sich hierdurch jedoch eine Dauer von 80 Sekunden je Bearbeitungstakt, wobei lediglich in der Zwischenmessstation die Messspindel eine Totzeit aufweist. Ansonsten sind in allen Stationen die Bearbeitungsspindeln jeweils quasi maximal ausgelastet.
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Zwischen den einzelnen Stationen sind vorliegend verschiebbare Wandabschnitte 44 vorgesehen. Die verschiebbaren Wandabschnitte 44 trennen die Beschichtungsstation 20 und Aufraustation 16 von den übrigen Stationen ab. Die verschiebbaren Wandabschnitte 44 sind hierzu in vertikaler Richtung bewegbar, sodass bei der Durchführung eines Transfervorgangs die Wandabschnitte 44 nach oben bewegt werden können, um einen freien Transfer der Werkstücke von Station zu Station zu ermöglichen. Anschließend können die Wandabschnitte 44 wieder herabbewegt und geschlossen werden.
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Die Bearbeitungsmaschine 10 weist weiter eine kombinierte Absaugeinrichtung 46 auf, die kombinierte Absaugeinrichtung 46 weist eine zentrale Ansaugleitung 48 auf, die sich jeweils in eine Teilleitung 50 zur Aufraustation 16 hin aufteilt und in eine weitere Teilleitung 52, die zur thermischen Beschichtungseinheit hinführt. Über entsprechende Regeleinrichtungen 54 und 56 sind die jeweiligen Volumenströme für die beiden Teilleitungen einstellbar.
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An den jeweiligen Stationen weist die Bearbeitungsmaschine 10 jeweilige Wartungstüren 58 auf, über die die einzelnen Stationen jeweils zugänglich sind. Der gesamte Betrieb der Bearbeitungsmaschine 10 ist über eine Bedienkonsole 60 durch den Bediener einer Maschine kontrollierbar.
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2 zeigt eine Ausführungsform, in der die Transfereinrichtung 28 als Linearförderer 62 ausgebildet ist. Vorliegend als Schritthubtransporteinrichtung 62, bei der die Werkstücke 22 schrittweise von Arbeitsstation zu Arbeitsstation transportiert werden. Dabei werden sie zur Durchführung des Transportschritts jeweils auch in vertikaler Richtung angehoben und dann in horizontaler Richtung bewegt.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform weist zunächst eine Beladestation 14a auf, die mit einer Vormessstation 42a kombiniert ausgeführt ist. In Transportrichtung T auf die Beladestation 14a folgend ist die Aufraustation 16 angeordnet. Von dieser aus werden die Werkstücke zur Zwischenmessstation 18 befördert. Von der Zwischenmessstation 18 wiederum werden die Werkstücke 22 in einem weiteren Transportschritt zur Beschichtungsstation 20 transportiert. Mit einem letzten Transportschritt werden die Werkstücke anschließend zur Entladestation 14b, die mit einer Nachmessstation 42b kombiniert ausgeführt ist, transportiert und anschließend aus der Bearbeitungsmaschine entnommen.
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Die Aufraustation 16 sowie die Beschichtungsstation 20 weisen jeweils bewegliche Wandabschnitte 44 auf, mittels denen sie jeweils gegenüber der Umgebung abgetrennt werden können.
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Die Aufraustation 16 sowie die Beschichtungsstation 20 können je eine Absaugeinrichtung 46 oder gemeinsam eine kombinierte Absaugeinrichtung 46 aufweisen, ähnlich der Bearbeitungsmaschine 10 nach 1.
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Die Bearbeitungsmaschine 10 weißt auch, ähnlich der Bearbeitungsmaschine 10 nach 1, zwei Beschichtungsspindeln 40 auf. Die Spritzbeschichtungseinheit 40 sowie die Laseraufraueinheiten 36 und die Meßeinheiten (Vormesseinrichtung 42a, Nachmesseinrichtung 42b, Zwischenmesseinrichtung 38) sind jeweils an portalartigen Ständeranordnungen 64 orthogonal zur Transportrichtung verfahrbar angeordnet. Die Verfahrbarkeit der einzelnen Einrichtungen kann dabei über Schlittenanordnungen realisiert sein.
