DE10314249B3

DE10314249B3 - Process for preparing a surface, e.g. cylinder face, to be coated with a thermally sprayed layer comprises removing material from the surface by machining and providing the surface with a rough structure

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

Preparing a surface to be coated with a thermally sprayed layer comprises removing material from the surface by machining and providing the surface with a rough structure. Furrows with crossing line-like recesses are inserted into the surface.

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.The invention relates to a method for preparing a surface, which is provided for later coating with a thermally sprayed layer, in which method removed from the surface material and thereby the surface is provided with a rough structure, as for example. Based on the generic DE 195 40 572 C2 as known.

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.From the DE 195 40 572 C2 It is known to provide the corresponding surface with intersecting grooves in sprayed cylinder surfaces. This Kreuzriefenstruktur serves to transport oil during operation of the cylinder. Before the coating of the cylinder surface is carried out by means of a known thermal spraying method, the previous cylinder surface of the cast engine block is, for example, roughened and activated by means of a water jet, to which corundum and / or steel gravel is added, and thus prepared for the subsequent thermal coating. With this pretreatment, however, corundum blasting agents can penetrate into the surface or into bores or other places that are difficult to access, which is why it must be safely removed again in a complex process. Furthermore, it may happen that a groove or recess / undercut created by a first particle is leveled or flattened by subsequent particles. As a result, the adhesion of this depression is reduced. Furthermore, the stress on the water / particle mixture also changes the beam geometry and thus the procurement of the processed surfaces in a short time. This in turn results in short service life.

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.From the EP 989 197 A1 For example, there is known a method of surface treatment of cylinder bores that prepares to apply a thermally sprayed layer. In the method, the surface to be coated is dry-machined with a tool having a defined or an undefined surface profile.

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.From the DE 197 13 519 C2 a method is known which also serves for the pretreatment of cylinder bores for a later thermal deposition. Here, too, microfine, unshaped grooves are introduced into the surface by means of a tool, whereby spiral-like tips and valleys are formed on the machined surface. A similar procedure is also from the DE 695 04 944 T2 known.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Vorbereitung der Oberfläche zum späteren Beschichten möglichst preiswert vorgenommen werden kann.The The object of the invention is to develop a method with which the preparation of the surface for later Coating as inexpensive as possible can be made.

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.The The object is achieved by a method having the features of the claim 1 solved. The preferably made of gray cast iron or a light metal alloy For example, on aluminum and / or magnesium-based engine block is processed in particular as the first cutting and the desired basic geometry produced. This process can, for example. By sizing, honing, milling, Drilling or the like done. Subsequently, the introduction according to the invention takes place the intersecting line-like grooves through the claimed Kreuzfräsverfahren. The cross-shaped to each other Riefen are referred to in the following simplifying Kreuzriefen.

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.in this connection is in a hollow cylinder of the later cylinder of the internal combustion engine a preferably rotating tool retracted, which is a or preferably has a plurality of axially parallel milling strips. alternative for rotating insertion of the milling strip or in addition For this purpose, the engine block can be rotated accordingly.

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.At least have the cutting edges of Fräsleiten Here, a hard material such as a carbide, a ceramic and / or Diamond on. The cutting edges have a desired cutting contour so that the grooves have a definable depth, width and pitch sequence as well oblique angle possess the Riefenflanke.

Die jeweiligen Daten des Schneidwerkzeuges hängen insbesondere von dem zu bearbeitenden Werkstoff des Werkstückes sowie von dem später aufzutragenden Material ab.The particular data of the cutting tool depend in particular on the machining material of the workpiece and of the later to be applied Material off.

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.The Tool is used in particular with a rotating and vertically downward and then vertically superimposed upwards Movement introduced into the cylinder bore. Here are the Kreuzriefen in the surface brought in. If necessary, this can be done with a cutting oil and or a cooling lubricant chilled and / or lubricated.

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.The result of this cross-cutting process is a cross-relief of the surface of the cylinder surface of the cylinder to be later coated by means of a thermal spraying process. Depending on the set parameters (rotational speed of the milling head, vertical speed during extension and retraction, as well as the cutting geometry used, the cross relief has an adjustable angle with respect to the cross angle and the distance of the grooves, the depth of the grooves and their cross section Geometry on.

Hierbei können die Riefen, die in der Abwärtsbewegung erzeugt werden, bspw. durch einen unterschiedlichen Vorschub eine andere Riefendichte als die der Aufwärtsbewegung besitzen.in this connection can the grooves that are in the downward movement be generated, for example, by a different feed a have different frictional density than that of upward movement.

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.ever after combining the material of the cast engine block and the coating material are different gears between the engine block and the coating makes sense. The required for this Cutting edges of the cutting tools can be preferably with a laser cost-effective and high precision produce.

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.Of others can with this method even the grooves can be realized with undercuts, by, for example, this either in the cutting contour with incorporated and / or by thin, high-standing burrs the return movement of the milling head intersected and bent or by placing the ridges with one after the cross milling introduced Tool, for example. A scratch to be bent.

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.at Material combinations of engine block and coating, in which a high material adhesion is present, lower requirements be placed on the cross relief. Here it can be enough be, if the Kreuzriefen opposite the smooth surface provide a larger surface. By this alone and through the cross structure is through the grooves a high level of security against detachment of the subsequent coating, in particular ensured by a pushing movement of the piston. In this case, therefore the cutting tools made of a low cost material become. In particular, this comes as in abrasive materials Corundum material with a corresponding grain size in question. In particular are the corundum grains statistically so in the milling tool to distribute that the desired Ridge depth, width and spacing results.

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.at all these variants, the surface is thoroughly cleaned after cross cutting, dried and then by means of the known thermal spraying method, in particular Arc wire spraying or plasma spraying, the final coating the cylinder surface sprayed. Here is the surface due to the claimed procedure always the advantage a minimized layer thickness of the subsequent coating and its uniformity on.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtmeaningful Embodiments of the invention are the dependent claims. Otherwise, will the invention with reference to an embodiment shown in the drawings explained in more detail. there shows

1 einen halbseitigen Ausschnitt einer Zylinderlauffläche mit mehreren Bearbeitungsschritten und 1 a half-side section of a cylinder surface with several processing steps and

2 ein Kreuzriefenrelief. 2 a cross-relief.

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.In 1 is a half-side section of a later cylinder surface with several processing steps shown. The processing steps (sections I - IV) are shown sequentially from bottom to top.

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.Section I of the 1 shows an engine block in the area of a later cylinder surface after casting. This area is as shown in Section II, using a finishing mill 2 widened to a desired level by sizing. Subsequently, the milling bar 3 , which is provided for introducing the Kreuzriefen is introduced into the bore of the engine block. The milling strip 3 has for producing the grooves on a corresponding cutting edge profile.

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.As already mentioned, the milling bar 3 screwed during insertion into the bore and simultaneously along the cylinder or bore axis 4 moved downwards. When the desired depth in the hole has been reached, the milling bar becomes 3 along the bore axis 4 pulled out, while continuing to be rotated in the previous direction of rotation. Here, the Kreuzriefen be introduced with a depth T in the surface. These crucifixes 5 form in their entirety a cross relief, as it is in 2 is shown. The remaining material of the previous surface forms islands 6 out. The angles between two crossing crucifixes 5 can by the rotational speed of the milling bar 3 as well as by the feed during the inward and outward movement of the Fräsleiste be set arbitrarily.

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.As shown in section IV of the figure, we after the introduction of the Kreuzriefenreliefs in the surface, - possibly after a cleaning and / or a drying step - the coating 7 from a tribological material of high hardness applied by a known thermal coating method.

Claims

A method of preparing a surface to be provided for later coating with a thermally sprayed layer, which method removes material from the surface and thereby removes the surface having a rough texture is provided, characterized in that the material is removed by machining from the surface and that by the material removal in the surface grooves ( 5 ), that the grooves ( 5 ) with intersecting line-like depressions, referred to in the following as a simplified cross-relief, are introduced into the surface and that grooves ( 5 ) of different inclination have a different groove density.

A method according to claim 1, characterized in that after the preparation of the Kreuzriefenreliefs the surface is cleaned and then thermally coated with a tribological coating ( 7 ) is coated.

Method according to claim 2, characterized that the surface dried after cleaning and then coated.