DE10314249B3

DE10314249B3 - Verfahren zur Vorbereitung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE10314249B3
Application number: DE2003114249
Authority: DE
Inventors: Roland Biedermann; Wolf Dr. Boll; Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Jörn Dipl.-Ing. Schmid; Helmut Schwarz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-03-29
Filing date: 2003-03-29
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Oberfläche, welche zum späteren Beschichten mit einer thermisch gespritzten Schicht vorgesehen wird, bei welchem Verfahren aus der Oberfläche Material entfernt und dadurch die Oberfläche mit einer rauhen Struktur versehen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material spanend aus der Oberfläche entfernt, wobei durch die Materialentfernung die Oberfläche mit einem Relief, das durch Riefen gebildet wird, versehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Oberfläche, welche zum späteren Beschichten mit einer thermisch gespritzten Schicht vorgesehen wird, bei welchem Verfahren aus der Oberfläche Material entfernt und dadurch die Oberfläche mit einer rauhen Struktur versehen wird, wie es bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 195 40 572 C2 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 195 40 572 C2 ist es bekannt, bei gespritzten Zylinderlaufflächen die entsprechenden Oberfläche mit sich kreuzenden Riefen zu versehen. Diese Kreuzriefenstruktur dient zum Öltransport während des Betriebs der Zylinders. Bevor die Beschichtung der Zylinderlauffläche mittels eines bekannten thermischen Spritzverfahrens erfolgt, wird die vorherige Zylinderoberfläche des gegossenen Motorblocks bspw. mittels eines Wasserstrahls, welchem Korund und/oder Stahlkies beigemischt ist, aufgeraut und aktiviert und damit für das nachfolgende thermische Beschichten vorbereitet. Bei dieser Vorbehandlung kann allerdings Korund-Strahlmittel in die Oberfläche oder in Bohrungen oder an andere nur schwer zugängliche Stellen gelangen, weshalb es in einem aufwendigen Prozess wieder sicher entfernt werden muss. Ferner kann es vorkommen, dass eine durch ein erstes Partikel erzeugte Riefe oder Vertiefung/Hinterschneidung durch nachfolgende Partikel eingeebnet oder abgeflacht wird. Dadurch ist die Haftwirkung dieser Vertiefung vermindert. Des weiteren ändert sich durch die Beanspruchung des Wasser/Partikelgemisches in kurzer Zeit auch die Strahlgeometrie und damit die Beschaffung der bearbeiteten Oberflächen. Hierdurch ergeben sich wiederum geringe Standzeiten.

Aus der EP 989 197 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Zylinderbohrungen bekannt, das zur Vorbereitung zum Aufbringen einer thermisch gespritzten Schicht dient. Bei dem Verfahren wird die zu beschichtende Oberfläche mit einem Werkzeug, das ein definiertes oder ein undefiniertes Oberflächenprofil aufweist, trocken spanend bearbeitet.

Aus der DE 197 13 519 C2 ist ein Verfahren bekannt, das ebenfalls zur Vorbehandlung von Zylinderbohrungen für eine spätere thermische Abscheidung dient. Auch hier werden mittels eines Werkzeuges mikrofeine, ungeformte Riefen in die Oberfläche eingebracht, wodurch auf der bearbeiteten Oberfläche spiralartige Spitzen und Täler gebildet werden. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus der DE 695 04 944 T2 bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Vorbereitung der Oberfläche zum späteren Beschichten möglichst preiswert vorgenommen werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Der aus vorzugsweise aus Grauguss oder einer Leichtmetalllegierung bspw. auf Aluminium- und/oder Magnesiumbasis hergestellte Motorblock wird insbesondere als erstes spanabhebend bearbeitet und die gewünschte Grundgeometrie hergestellt. Dieser Vorgang kann bspw. durch Schlichten, Honen, Fräsen, Bohren oder dgl. erfolgen. Anschließend erfolgt das erfindungsgemäße Einbringen der sich kreuzenden linienartigen Riefen durch das beanspruchte Kreuzfräsverfahren. Die zueinander kreuzförmigen Riefen werden im Weiteren vereinfachend Kreuzriefen genannt.

Hierbei wird in einen Hohlzylinder des späteren Zylinders der Brennkraftmaschine ein sich vorzugsweise drehendes Werkzeug eingefahren, welches eine oder vorzugsweise mehrere achsparallele Fräsleisten aufweist. Alternativ zum drehenden Einbringen der Fräsleiste oder ergänzend hierzu kann auch der Motorblock entsprechend gedreht werden.

Zumindest die Schneidkanten der Fräsleiten weisen hierbei ein hartes Material wie ein Hartmetall, eine Keramik und/oder Diamant auf. Die Schneidkanten weisen eine gewünschte Schneidkontur auf, damit die Riefen eine vorgebbare Tiefe, Breite und Teilungsfolge sowie Schrägwinkel der Riefenflanke besitzen.

Die jeweiligen Daten des Schneidwerkzeuges hängen insbesondere von dem zu bearbeitenden Werkstoff des Werkstückes sowie von dem später aufzutragenden Material ab.

Das Werkzeug wird insbesondere mit einer drehenden und vertikal abwärts und anschließend vertikal aufwärts überlagerten Bewegung in die Zylinderbohrung eingeführt. Hierbei werden die Kreuzriefen in die Oberfläche eingebracht. Bei Bedarf kann hierbei mit einem Schneidöl und oder einem Kühlschmiermittel gekühlt und/oder geschmiert werden.

Das Arbeitsergebnis dieses Kreuzfräsverfahrens ist ein Kreuzriefenrelief der später mittels eines thermischen Spritzverfahrens zu beschichtenden Oberfläche der Zylinderlauffläche des Zylinders. Je nach eingestellten Parametern (Drehgeschwindigkeit des Fräskopfes, Vertikalgeschwindigkeit beim Ein- und Ausfahren, sowie der verwendeten Schneidgeometrie weist das Kreuzriefenrelief hinsichtlich dem Kreuzwinkel und dem Abstand der Riefen, der Tiefe der Riefen und deren Querschnitt eine einstellbare Geometrie auf.

Hierbei können die Riefen, die in der Abwärtsbewegung erzeugt werden, bspw. durch einen unterschiedlichen Vorschub eine andere Riefendichte als die der Aufwärtsbewegung besitzen.

Je nach der Kombination des Materials des gegossenen Motorblocks und dem Beschichtungsmaterial sind unterschiedliche Verzahnungen zwischen dem Motorblock und der Beschichtung sinnvoll. Die hierfür erforderlichen Schneidkanten der Schneidwerkzeuge lassen sich vorzugsweise mit einem Laser kostengünstig und hochpräzise herstellen.

Des weiteren können mit diesem Verfahren sogar die Riefen mit Hinterschneidungen realisiert werden, indem bspw. diese entweder entsprechend in die Schneidenkontur mit eingearbeitet werden und/oder indem dünne, hochstehende Grate bei der Rückbewegung des Fräskopfes durchschnitten und umgebogen oder indem die Grate mit einem nach dem Kreuzfräsen eingeführten Werkzeug, bspw. einem Kratzer, umgebogen werden.

Bei Werkstoffkombinationen von Motorblock und Beschichtung, bei denen eine hohe Werkstoffhaftung vorliegt, können geringere Anforderungen an das Kreuzriefenrelief gestellt werden. Hier kann es ausreichend sein, wenn die Kreuzriefen gegenüber der glatten Oberfläche eine größere Oberfläche liefern. Allein schon dadurch und durch die Kreuzstruktur ist durch die Riefen eine hohe Sicherheit gegen ein Ablösen der späteren Beschichtung, insbesondere durch eine Schubbewegung des Kolbens gewährleistet. In diesem Fall können daher die Schneidwerkzeuge aus einem kostengünstigen Werkstoff hergestellt werden. Insbesondere kommt hierbei wie bei Schleifwerkstoffen ein Korundmaterial mit einer entsprechenden Körnung in Frage. Insbesondere sind die Korundkörner hier statistisch derart im Fräswerkzeug zu verteilen, dass sich die gewünschte Riefentiefe, -breite und -beabstandung ergibt.

Bei allen diesen Varianten wird nach dem Kreuzfräsen bevorzugt die Oberfläche gründlich gereinigt, getrocknet und anschließend mittels der bekannten thermischen Spritzverfahren, wie insbesondere Lichtbogendrahtspritzen oder Plasmaspritzen, die endgültige Beschichtung der Zylinderlauffläche aufgespritzt. Hier weist die Oberfläche aufgrund der beanspruchten Vorgehensweise immer auch der Vorteil einer minimierten Schichtdicke der späteren Beschichtung und deren Gleichmäßigkeit auf.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen halbseitigen Ausschnitt einer Zylinderlauffläche mit mehreren Bearbeitungsschritten und
2 ein Kreuzriefenrelief.
In 1 ist ein halbseitiger Ausschnitt einer späteren Zylinderlauffläche mit mehreren Bearbeitungsschritten dargestellt. Die Bearbeitungsschritte (Abschnitte I – IV) sind nacheinander von unten nach oben dargestellt.
Der Abschnitt I der 1 zeigt einen Motorblock im Bereich einer späteren Zylinderlauffläche nach dem Gießen. Dieser Bereich wird wie in Abschnitt II dargestellt, mittels eines Schlichtfräsers 2 auf ein gewünschtes Maß durch Schlichten aufgeweitet. Anschließend wird die Fräsleiste 3, die zur Einbringung der Kreuzriefen vorgesehen ist in die Bohrung des Motorblocks eingebracht. Die Fräsleiste 3 weist zur Herstellung der Riefen ein entsprechendes Schneidkantenprofil auf.
Wie bereits erwähnt, wird die Fräsleiste 3 beim Einbringen in die Bohrung eingedreht und gleichzeitig entlang der Zylinder- oder Bohrungsachse 4 abwärts bewegt. Ist die gewünschte Tiefe in der Bohrung erreicht, wird die Fräsleiste 3 entlang der Bohrungsachse 4 herausgezogen, wobei sie weiterhin in der bisherigen Drehrichtung weiter gedreht wird. Hierbei werden die Kreuzriefen mit einer Tiefe T in die Oberfläche eingebracht. Diese Kreuzriefen 5 bilden in ihrer Gesamtheit ein Kreuzriefenrelief, wie es in 2 dargestellt ist. Das verbleibende Material der bisherigen Oberfläche bildet Inseln 6 aus. Die Winkel zwischen zwei sich kreuzenden Kreuzriefen 5 können durch die Drehgeschwindigkeit der Fräsleiste 3 sowie durch deren Vorschub bei der Ein- und Auswärtsbewegung der Fräsleiste beliebig eingestellt werden.
Wie im Abschnitt IV der Figur dargestellt ist, wir nach erfolgter Einbringung des Kreuzriefenreliefs in die Oberfläche, – ggf. nach einem Reinigungs- und/oder einem Trockenschritt – die Beschichtung 7 aus einem tribologischen Material großer Härte mit einem bekannten thermischen Beschichtungsverfahren aufgebracht.

Claims

Verfahren zur Vorbereitung einer Oberfläche, welche zum späteren Beschichten mit einer thermisch gespritzten Schicht vorgesehen wird, bei welchem Verfahren aus der Oberfläche Material entfernt und dadurch die Oberfläche mit einer rauhen Struktur versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material spanend aus der Oberfläche entfernt wird und dass durch die Materialentfernung in die Oberfläche Riefen (5) eingebracht werden, dass die Riefen (5) mit sich kreuzenden linienartigen Vertiefungen, im folgenden vereinfachend Kreuzriefenrelief genannt, in die Oberfläche eingebracht werden und dass Riefen (5) unterschiedlicher Neigung eine unterschiedliche Riefendichte aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass nach der Herstellung des Kreuzriefenreliefs die Oberfläche gereinigt und anschließend thermisch mit einer tribologischen Beschichtung (7) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Oberfläche nach der Reinigung getrocknet und anschließend beschichtet wird.