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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Oberfläche, ein Werkzeug zum Durchführen des Verfahrens, eine Vorrichtung sowie ein zylindrisches Werkstück.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Laufflächen von Kurbelgehäusen durch eine Beschichtung zu bilden. Üblich sind hier beispielsweise thermische Beschichtungsverfahren, wie das Lichtbogendrahtspritzen. Damit derartige Beschichtungen ausreichend haften, ist es notwendig, den jeweiligen Haftgrund zu „aktivieren“. Diese Aktivierung umfasst typischerweise ein Aufrauen der Zylinderbohrung. Die
WO 2015/003790 offenbart zu diesem Zweck beispielsweise ein Verfahren zum Bearbeiten einer Wand eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, wobei umlaufende Nuten in die Wand spanend eingebracht werden, wobei zum Einbringen der Nuten mindestens ein ringförmiges Sägeblatt verwendet wird, das an seinem Umfang mit einer Vielzahl von Schneidezähnen versehen ist, wobei das Sägeblatt um seine Längsachse rotierend sowie auf einer Ringbahn bewegt wird. In der Praxis hat es sich als schwierig erwiesen, sicherzustellen, dass die Aktivierung über die gesamte Länge der Bohrung oder des Zylinders exakt gleich erfolgt. So kann es beispielsweise vorkommen, dass die eingebrachten Vertiefungen, beispielsweise die Nuten, nicht über die gesamte Länge des Zylinders die gleiche Tiefe aufweisen etc.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Oberfläche, ein Werkzeug, eine Vorrichtung sowie ein zylindrisches Werkstück anzugeben, welche die bekannten Verfahren, Werkzeuge, Vorrichtungen sowie Werkstücke optimieren, insbesondere was deren Qualität und Herstellkosten betrifft.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 4, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 sowie durch ein zylindrisches Werkstück gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Oberfläche, insbesondere zum Aktivieren einer zylindrischen Oberfläche, vor einem Beschichtungsverfahren, die Schritte:
- - Bereitstellen eines Zylinders mit einer zu bearbeitenden Zylinderoberfläche, welche sich entlang einer Zylinderachse erstreckt;
- - Bearbeiten eines zylindrischen Abschnitts der Zylinderoberfläche mittels eines ersten Schneidelements in einem Arbeitsgang;
- - Direktes Nachbearbeiten der bearbeiteten Oberfläche in dem Arbeitsgang durch ein nachgelagert angeordnetes zweites Schneidelement, welches zu dem ersten Schneidelement verschieden ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren auf einer Werkzeugmaschine, insbesondere auf einem Bearbeitungszentrum, durchgeführt. Zweckmäßigerweise umfasst der Werkzeugträger die zwei unterschiedlichen Schneidelemente, mit anderen Worten zwei unterschiedliche Werkzeuge, wodurch in einem Arbeitsgang unterschiedliche Bearbeitungsschritte durchführbar sind, ohne dass ein Werkzeugwechsel erfolgen muss. Dies verringert nicht nur die benötigte Taktzeit für die Bearbeitung, sondern erhöht auch, dadurch dass kein Werkzeugwechsel erfolgen muss, die Genauigkeit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Feinbohren oder Schlichten mit dem ersten Schneidelement;
- - Profilieren oder Strukturieren mit dem zweiten Schneidelement.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der vorgenannten Zylinderoberfläche um einen Zylinder bzw. um eine Bohrung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine. Bevorzugterweise handelt es sich bei dem Kurbelgehäuse um ein Gussbauteil. Nach dem Gießen des Kurbelgehäuses erfolgt zweckmäßigerweise ein Schruppen der Zylinderbohrungen. Die geschruppten Zylinderbohrungen werden in einem darauffolgenden Schritt feingebohrt bzw. geschlichtet. Die geschlichtete Oberfläche bildet die Basis für die spätere Aktivierung. Vorteilhafterweise erfolgt vorliegend das Feinbohren oder Schlichten sowie das Profilieren oder Strukturieren (Aktivieren) im gleichen Arbeitsgang und mit dem gleichen Werkzeug. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Basisfläche, mit anderen Worten die geschlichtete Oberfläche, die exakt gleiche Mittelachse aufweist wie das durch das zweite Schneidelement eingebrachte Profil bzw. die dabei eingebrachte Struktur. Für die Beschichtung bedeutet dies, dass umfänglich bzw. auch entlang der Zylinderachse die exakt gleichen Bedingungen vorliegen. Mit anderen Worten weist die eingebrachte Struktur oder Profilierung die exakt gleiche Geometrie auch. Insbesondere weist beispielsweise eine beim Profilieren oder Strukturieren eingebrachte Nut umfänglich die exakt gleiche Tiefe auf.
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Zweckmäßigerweise werden beim Profilieren oder Strukturieren umlaufende Nuten eingebracht, wobei diese, je nach Ausführungsform, eine eckige, trapezförmige, aber auch eine rundliche Form aufweisen können. Mit Vorteil handelt es sich um Vertiefungen, welche kreis- oder ringförmig entlang der Umfangsrichtung verlaufen. Mit dem zweiten Schneidelement können, je nach Ausgestaltung, gleichzeitig mehrere Vertiefungen eingebracht werden, alternativ auch nur eine. Ein vollständig bearbeiteter Zylinder weist entlang der Zylinderachse etwas 200 bis 300 Nuten auf.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen oder mehrere der folgenden Schritte:
- - Umformen der Struktur/Profilierung zum Erzeugen von Hinterschnitten bzw. Hinterschneidungen;
- - Aufrauen der profilierten/strukturierten Oberfläche zum Erzeugen einer Mikrorauigkeit.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die erzeugte Mikrorauigkeit einen Rz-Wert in einem Bereich von 25 bis 200 µm auf. Die Hinterschnitte Erhöhen mit Vorteil die Haftung der aufgebrachten, insbesondere aufgespritzten, Schicht.
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Mit Vorteil wird das Verfahren derart geführt, dass entlang der Zylinderachse kein Vorschub erfolgt. Zweckmäßigerweise werden die Schneidelemente um eine Drehachs rotierend sowie auf einer Ringbahn bewegt wird
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen einer Vielzahl von ersten Schneidelementen und zweiten Schneidelementen entlang der Zylinderachse.
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Zweckmäßigerweise kann so ein vollflächiges Bearbeiten der Zylinderoberfläche bzw. der Zylinderbohrung erfolgen. Ein Werkzeug, welches die Schneidelemente umfasst, muss beim Bearbeiten nicht in den Zylinder oder in die Bohrung hinein verfahren werden, was der erzielbaren Genauigkeit zugutekommt.
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Zweckmäßigerweise erfolgt als weiterer Schritt ein Beschichten, insbesondere mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wie Lichtbogendrahtspritzen. Alternativ einsetzbare Verfahren sind Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Kaltgasspritzen etc.
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Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Werkzeug einen Werkzeugträger umfasst, welcher eine Drehachse aufweist, wobei umfänglich an dem Werkzeugträger zumindest ein erstes Schneidelement und zumindest ein zweites Schneidelement fluchtend entlang einer Umfangsrichtung des Werkzeugträgers angeordnet sind, und wobei das zweite Schneidelement ausgelegt ist, eine durch das erste Schneidelement erzeugte oder bearbeitete Fläche zu strukturieren. Zweckmäßigerweise weisen die unterschiedlichen Werkzeuge bzw. Schneidelemente die gleiche Drehachse auf.
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Mit Vorteil ist das Werkzeug ausgelegt, eine Basisfläche bereitzustellen, welche unmittelbar als Basis für eine darauffolgende Strukturierung, insbesondere Aktivierung für ein thermisches Beschichtungsverfahren, dienen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass beispielsweise eine Profiltiefe entlang einer Umfangsrichtung der bearbeiteten Bohrung exakt gleich bzw. konstant ist. Je nach Ausgestaltung des Werkzeugs ist insbesondere auch sichergestellt, dass die Profiltiefe entlang der Bohrungs- oder Zylinderachse exakt gleich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Schneidelement ein Schlicht- oder Feinbohrwerkzeug, umfassend eine parallel zur Drehachse ausgerichtete flache oder gerade Schneide, wobei das zweite Schneidelement ein Profilwerkzeug ist, umfassend ein Zahnprofil zum Erzeugen einer Struktur oder eines Profils, insbesondere zum Erzeugen von Stegen bzw. Nuten, in der Oberfläche. Mit Vorteil ist das zweite Schneidelement ausgebildet, zumindest eine Nut in der Oberfläche zu erzeugen.
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Zweckmäßigerweise sind die Eingriffsbereiche der Schneidelemente entlang der Drehachse gleich lang oder in etwa gleich lang ausgebildet. Dies bedeutet, dass das zweite Schneidelement unmittelbar mit einem zuvor durch das jeweils erste Schneidelement bearbeiteten Bereich in Eingriff kommt. Mit Vorteil können das Schlichten der Zylinderbohrung und das nachträgliche Einbringen einer Struktur, wie beispielsweise das Einbringen von Nuten, in einem Arbeitsgang erfolgen, ohne dass ein Werkzeugwechsel oder dergleichen erfolgen muss.
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Gemäß einer Ausführungsform sind in Umfangsrichtung des Werkzeugträgers gesehen eine Vielzahl von ersten Schneidelementen und zweiten Schneidelementen, bevorzugt abwechselnd, angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform sind vier erste Schneidelemente in einem Abstand von 90° zueinander angeordnet. 45° dazu versetzt sind bevorzugt vier zweite Schneidelemente, ebenfalls in einem Abstand von 90° zueinander, angeordnet. Damit lässt sich eine sehr gleichmäßige Bearbeitung einer Zylinderoberfläche realisieren. Je nach Anforderung können aber auch mehr oder weniger erste bzw. Schneidelemente vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass mehrere erste bzw. zweite Schneidelemente hintereinander angeordnet sind.
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Weiter alternativ ist es vorgesehen, dass unterschiedliche Ausführungsformen von ersten Schneidelementen bzw. unterschiedliche Ausführungsformen von zweiten Schneidelementen vorgesehen sind. Dies kann bedeuten, dass beispielsweise die Schneidelemente in Umfangsrichtung gesehen jeweils unterschiedliche Wirkdurchmesser oder auch Schneidgeometrien aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Werkzeug eine Vielzahl von entlang der Drehachse angeordneten Werkzeugträgern. Zweckmäßigerweise ist es dadurch möglich, eine Zylinder- oder Bohrungsfläche in einem Arbeitsgang vollständig bzw. vollflächig zu bearbeiten. Gemäß einer Ausführungsform ist der Werkzeugträger beispielsweise als Ring- bzw. Kreisringscheibe ausgebildet, an welchem umfänglich die ersten bzw. zweiten Schneidelemente angeordnet sind. Zweckmäßigerweise ist eine Vielzahl derartig scheibenförmiger Werkzeugträger, beispielsweise 10-20, entlang der Drehachse angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform sind die Werkzeugträger gleich ausgebildet, weisen also die gleiche Anzahl von ersten und zweiten Schneidelementen auf. Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen den entlang der Drehachse angeordneten Werkzeugträgern jeweils ein Winkelversatz vorgesehen, sodass die Schneidelemente entlang der Drehachse nicht direkt übereinander liegen. Dies kann ebenfalls für den Gleichlauf des Werkzeugs vorteilhaft sein.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die maximalen Wirkdurchmesser der Werkzeugträger entlang der Drehachse unterschiedlich ausgebildet. Zweckmäßigerweise kann so entlang der Zylinder- oder Bohrungsachse eine Form eingestellt werden, welche nicht exakt zylindrisch ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der beschichtete Zylinder abschließend formgehont. Die beim Formhonen erzeugte Geometrie kann mit Vorteil bereits beim Schlichten bzw. Aktivieren berücksichtigt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum mechanischen Bearbeiten, umfassend eine Werkzeugaufnahme, in welcher ein erfindungsgemäßes Werkzeug angeordnet ist, und wobei ein Antrieb der Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Drehachse des Werkzeugs um eine Rotationsachse rotiert. Zweckmäßigerweise zirkuliert das Werkzeug um die Rotationsachse, wobei es sich dabei um seine eigene Drehachse dreht. Zweckmäßigerweise ist es möglich, die Rotationsachse radial zuzustellen, wodurch eine Eingriffstiefe des Werkzeugs eingestellt werden kann.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein zylindrisches Werkstück mit einer aufgerauten bzw. aktivierten Oberfläche, wobei die aufgeraute Oberfläche ein Profil aufweist, und wobei das Profil eine Profiloberfläche und einen Profilgrund aufweist, und wobei die Profiloberfläche und der Profilgrund die gleiche Mittelachse aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die Profiloberfläche und der Profilgrund mit dem gleichen Werkzeug bearbeitet. Zweckmäßigerweise umfasst das Profil eine Vielzahl von entlang einer Zylinderachse des zylindrischen Werkstücks angeordneten bzw. ausgebildeten, sich umfänglich erstreckenden, Vertiefungen, insbesondere Nuten. Die Profiltiefe der Nuten liegt bei bevorzugten Ausführungsformen in einem Bereich von 50 bis 200 µm, die Profilweite der Nuten zweckmäßigerweise in einem Bereich von 40 bis 400 µm.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Werkzeug, die Vorrichtung sowie das Werkstück, bzw. auch umgekehrt und untereinander.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Ausführungsform eines Werkzeugs mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsform eines Werkzeugträgers entlang einer Drehachse gesehen;
- 2: eine Seitenansicht eines Werkzeugs, umfassend eine Vielzahl von Werkzeugträgern.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Werkzeugträger entlang einer Drehachse D gesehen. Entlang einer Umfangsrichtung U sind abwechselnd erste Schneidelemente 21 und zweite Schneidelemente 22 angeordnet. Bei den ersten Schneidelementen 21c handelt es sich zweckmäßigerweise um Schneidelemente zum Feinbohren oder Schlichten und bei den zweiten Schneidelementen 22 handelt es sich zweckmäßigerweise um Profilschneiden, welche es ermöglichen, beispielsweise Nuten zu erzeugen. Ein so bearbeitetes Profil weist zweckmäßigerweise eine Profiloberfläche sowie einen Profilgrund auf, welche die gleiche Mittelachse, vorliegend die Drehachse D, aufweisen.
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2 zeigt in einer Seitenansicht schematisch ein Werkzeug 10, umfassend eine Vielzahl entlang einer Drehachse D angeordneter Werkzeugträger 20. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die ersten bzw. zweiten Schneidelemente, welche jeweils umfänglich an den Werkzeugträgern 20 angeordnet sind, hier nicht dargestellt. Mit dem Bezugszeichen R ist eine Rotationsachse skizziert, um welche das Werkzeug 10 rotieren kann. Zweckmäßigerweise kann das Werkzeug 10 zugestellt werden, indem ein Abstand a zwischen der Drehachse D und der Rotationsachse R verändert wird. Das Werkzeug 10 kann in einem Bearbeitungszentrum in einer entsprechenden Werkzeugaufnahme angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeug
- 20
- Werkzeugträger
- 21
- erstes Schneidelement
- 22
- zweites Schneidelement
- D
- Drehachse
- R
- Rotationsachse
- U
- Umfangsrichtung
- a
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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