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Die
Erfindung betrifft einen Motorbauteil und ein Verfahren zur Instandsetzung
eines Motorbauteils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Ein
mit hohen Reparaturkosten verbundener Defekt bei Motoren von z.B.
Kraftfahrzeugen tritt beispielsweise auf, wenn ein Kolben auf der
vorgesehenen Kolbenlauffläche
des Motorzylinders nicht mehr beweglich ist, sondern festsitzt.
Es ist bekannt, solche defekten Zylinder auszubohren, die Lauffläche zu glätten und
einen neuen, auf das neue Endmaß abgestimmten
Kolben einzusetzen. Da die bei der Reparatur eingesetzten Kolben
in wesentlich geringerer Stückzahl
hergestellt werden als die üblichen Serienkolben,
fallen hier beträchtliche
Materialkosten an, die deutlich über
den Kosten von Serienbauteilen liegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein instandgesetztes Motorbauteil und ein
Verfahren zur Instandsetzung eines Motorbauteils mit defekter Kolbenlauffläche anzugeben,
die eine kostengünstige
Reparatur ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Motorbauteil bzw. ein Verfahren mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Vorteil
der erfindungsgemässen
Lösung
ist, dass ein durch die Bearbeitung verursachter Materialverlust
der Kolbenlauffläche
ausgeglichen und so die geometrische Masse der bearbeiteten Kolbenlauffläche bei
der Instandsetzung an einen Serienkolben angepasst werden kann.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung kann eine Härtung
der bearbeiteten Fläche
nach der mechanischen Bearbeitung vorgenommen werden. Dies erleichtert
die Bearbeitung bei gleichzeitiger Verbesserung der Eigenschaften
der Zylinderlauffläche.
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Weitere
Vorteile und günstige
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung und den weiteren
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung ist anhand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei die
Figuren zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch
einen Motorbauteil mit einer Plasmaspritzvorrichtung während der
Instandsetzung und
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2 eine Detailansicht eines
Motorbauteils mit einer aufgebrachten Beschichtung auf einer Kolbenlauffläche.
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Bei
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren kann es im Laufe der Gesamtlebensdauer
eines Fahrzeuges leicht zu Motorschäden im Bereich des Zylinderkurbelgehäuses (ZKG)
kommen. Die Ursachen hierfür
können
vielfältig
sein, wie z. B. Bruch von Pleuel, Kolben, Kolbenringe, Kurbelwelle, Überhitzung
des Motors, Fremdpartikel im Luftansaugkanal, die dann im Motorbetrieb
in den Verbrennungsraum gelangen o. ä., welches zu einem Kolbenfresser
führen
kann. Bei allen diesen Schäden
ist fast immer eine Beschädigung
der Zylinderlaufflächen,
in Form von mehr oder weniger tiefen Riefen oder eine Verformung
der Zylinder, die Folge.
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Wenn
es unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten rentabel ist, den Motor
bzw. das ZKG aufzubereiten oder einen Austauschmotor daraus herzustellen,
müssen
die Zylinderlaufflächen
entsprechend aufgearbeitet werden.
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Üblicherweise
werden die Zylinderlaufflächen
ausgespindelt bzw. nachgehont, bis keine sog. Fressspuren mehr vorhanden
sind und wieder eine lauffähige
Zylinderlauffläche
hergestellt ist. Als Folge hiervon ist die Zylinderbohrung um einige
zehntel Millimeter im Durchmesser größer geworden. Um wieder einen
lauffähigen
Motor zu erhalten, müssen
Kolben und Kolbenringe mit größerem Durchmesser, meist
noch klassiert, montiert werden. Diese Überkolben und Kolbenringpakete
kosten ein Vielfaches von normalen Serienkolben bzw. Kolbenringpaketen
als normale Serienkolben und Kolbenringpakete, da sie in wesentlich
geringeren Stückzahlen
und als Sonderabmessungen hergestellt werden. Bei einem Vierzylinder-Motor
ergeben sich gegenwärtig
durch Einsatz von 4 Übermaßkolben
mit entsprechenden Kolbenringpaketen Mehrkosten von ca. 50,00 EUR.
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1 zeigt schematisch einen
Verfahrensschritt während
einer Instandsetzung eines Motorbauteils. Ein Motorbauteil 1,
insbesondere ein Kurbelgehäuse,
weist in einem geeigneten Zylindermaterial 3 eine Zylinderbohrung 2 für einen
hier nicht dargestellten Kolben auf. Der Kolben bewegt sich entlang
einer Kolbenlauffläche 7.
In einem Fehlerzustand sitzt beispielsweise der Kolben auf der Kolbenlauffläche 7 fest.
Zur Instandsetzung wird der festsitzende Kolben unter Materialabtrag
von der Kolbenlauffläche 7 aus
dem Motorbauteil 1 entfernt, üblicherweise wird dieser ausgebohrt.
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Gemäß der Erfindung
wird die Kolbenlauffläche 7 mit
einer Beschichtung 9 versehen, die zumindest eine Schicht
aufweist. Dabei wird die Beschichtung 9 zumindest so dick,
vorzugsweise dicker, aufgetragen wie dem Materialabtrag beim Entfernen
des Kolbens entspricht. Besonders günstig ist eine Beschichtung
der Kolbenlauffläche 7 mit
einem Plasmaspritzverfahren. Plasmaspritzverfahren, wie sie etwa
aus dem US-Patent
6,001,426 bekannt sind, werden häufig
zum Auftragen von Korrosionsschutzschichten verwendet. Erfindungsgemäß jedoch
dient der Schichtauftrag dem Ausgleich des Materialabtrags, beispielsweise
beim Ausbohren des Kolbens.
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Eine
Beschichtungsvorrichtung ist in der 1 vereinfacht
durch eine Düse 4 mit
einer elektrischen Versorgung 5 gekennzeichnet, die über eine Zuführung 6 ein
aufzubringendes Material 8 sowie plasmaerzeugende Medien
in die Bohrung 2 einbringt. Das Material 8 tritt
in der Bohrung 2 aus und schlägt sich auf der ausgebohrten
Kolbenlauffläche 7 nieder.
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Die
Beschichtung 9 wird anschließend auf einen Sollwert der
Materialdicke abgetragen. Vorzugsweise wird diese Materialdicke
so gewählt,
dass die Zylinderbohrung 2 ihren Durchmesser dem ursprünglichen
Durchmesser im Normalbetrieb entspricht. Dies ist in 2 dargestellt.
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Anschließend wird
die Oberfläche 10 der
Beschichtung 9 abgetragen und fein bearbeitet, vorzugsweise
durch Honen. Das Honen kann auch in mehreren Stufen, vorzugsweise
dreistufig, erfolgen.
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Besonders
bevorzugt wird anschließend
ein neuer Kolben eingesetzt, der ein übliches Serienmaß aufweist.
Dies verbilligt die Instandsetzung des Motorbauteils erheblich,
da auf einen Kolben mit Sondermassen verzichtet werden kann.
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Der
neue Kolben hat einen Durchmesser ϕκ < ϕalt + α · (ϕB – ϕalt),
wobei gilt
ϕalt = Durchmesser des ursprünglichen
Kolbens,
ϕB = Durchmesser
der Bohrung 2 vor der Beschichtung,
α ≤ 0,5; bevorzugt ≤ 0,3; weiter
bevorzugt ≤ 0,1;
besonders bevorzugt ≈ 0
Zweckmäßigerweise
wird die Kolbenlauffläche 7 vor
der Beschichtung gereinigt, insbesondere entfettet. Dies kann mit
organischen Lösungsmitteln
oder auch mit Natronlauge erfolgen. Zur Verbesserung der Haftung
der aufgetragenen Beschichtung 9 kann die Kolbenlauffläche 7 weiterhin vor
dem Beschichten aufgerauht werden. Ebenso kann vor dem Beschichten
eine nicht dargestellte Haftvermittlerschicht auf die Kolbenlauffläche 7 aufgetragen
werden. Dies kann in an sich bekannter Weise z. B. durch eine chemische
oder elektrochemische Behandlung, etwa durch eine Tauchbadbeschichtung,
erfolgen.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung wird ein weiches Material 8,
z. B. Aluminium, auf die Kolbenlauffläche 7 aufgetragen.
Dieses lässt sich
leicht bearbeiten und auf das Endmaß einstellen. Anschließend wird
die Oberfläche
des Materials 8 gehärtet.
Vorzugsweise wird die Beschichtung 9 nitriert. Dies kann
so erfolgen, dass in der Zylinderbohrung 2 ein Plasma gezündet wird,
in dem Stickstoffionen gebildet werden, die in die Oberfläche der
Beschichtung 9 eindringen und eine harte Schicht, bei Aluminium z.B.
Aluminiumnitrid, bilden. Aluminiumnitrid ist sehr schwer zu bearbeiten
und relativ teuer, stellt jedoch aufgrund seiner Härte ein
geeignetes Material für Kolbenlaufflächen 7 dar.
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Neben
Plasmaspritzverfahren sind auch andere Beschichtungsverfahren zum
Aufbringen der Beschichtung 9 denkbar, welche eine gute
Haftung auf der Kolbenlauffläche 7 erzielen.
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Durch
den Einsatz der Plasmaspritztechnik bei der Aggregateaufbereitung
von Otto- und Dieselmotoren
können
wieder Serienkolben und auf die Plasmaspritzschicht abgestimmte
Kolbenringpakete eingesetzt werden.
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Die
Aufbereitung von Zylinderlaufflächen
in Grauguß (GG)
-Zylinderkurbelgehäusen
erfolgt vorzugsweise wie nachstehend beschrieben:
- a)
Demontage und Reinigung des defekten Motors einschließlich Demontage
des Zylinderkurbelgehäuses
sowie dessen Einbauteile, wie Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, etc.
- b) Nachreinigung des ZKG und Aufnahme auf ein Bearbeitungszentrum
(BAZ). Exaktes Ausrichten des ZKG auf dem BAZ, so dass die ursprünglichen
Zylinderstich- und Mittenmasse wieder hergestellt werden können. Verspannen
des ZKGs und Ausspindeln der Zylinderbohrungen, bis keinerlei Fress-
oder Beschädigungsspuren
mehr sichtbar bzw. messbar sind.
Das Ausspindeln der Zylinderbohrungen
kann auch durch einen Schrupphonvorgang ersetzt werden. Vorzugsweise
sind hierbei Diamant-Honleisten ≥ D120, mit
entsprechender Bindung der Diamanten, einzusetzen. Durch den Honvorgang wird
erreicht, dass die Form- und Lagetoleranzen qualitativ besser erreicht
werden können
als durch Ausspindeln.
- c) Das Ausspindeln bzw. Honen erfolgt aufgrund der geforderten
Form- und Lagetoleranzen der Zylinderbohrung, vorzugsweise mit einem
ein- oder mehrschneidigen Werkzeug bestückt mit entsprechenden Schneidplatten.
Die erzeugte Oberflächenrauhigkeit
der gespindelten bzw. gehonten Zylinderbohrung muss Rz ≤ 15 μm betragen.
- d) Die Spanabnahme, bezogen auf den Radius, kann ca. 150 bis
300 μm betragen
und in mehreren Schnitten bzw. Honabträgen erfolgen. D. h. der Durchmesser
der Zylinderbohrung kann um 0.3 bis 0,6 mm größer ausgespindelt bzw. gehont werden.
- e) Nach dem Ausspindeln bzw. Honen wird das ZKG vom BAZ abgespannt
und in einer Waschmaschine, vorzugsweise ausgerüstet mit einer Injektions-Flutwaschkammer und
einem Hochdruckwaschsystem, komplett gewaschen, entfettet und getrocknet,
so dass das ZKG absolut späne-
und emulsionsfrei und alle Zylinderbohrungen absolut fettfrei sind.
Das
Entfetten der Zylinderbohrungen erfolgt vorzugsweise mit Heißdampf bei
einer Temperatur von ca. 160 °C
und einem Druck von ca. 230 mbar. Nach dem Reinigen erfolgt die
Trocknung mittels eines Vakuumtrockners, so dass eine absolute Trocknung
des ZKGs erreicht wird.
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Das
so vorbereitete ZKG wird nun der Plasmaspritzanlage zugeführt.
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Als
erster Arbeitsgang in der Plasmaanlage werden alle Zylinderbohrungen
zum Plasmabeschichten durch Sandstrahlen vorbereitet. Hierzu wird
das ZKG in eine Strahlstation getaktet, genau fixiert und eine Strahlmaske,
vorzugsweise bestückt mit
Bohrbuchsen, aufgrund des geringeren Verschleißes, auf das Topdeck des ZKG
automatisch aufgelegt. Die Strahlmaske deckt außer den zu beschichtenden Zylinderbohrungen
alle weiteren Öffnungen
des Topdecks, wie Wasserkanal- und Ölbohrungen sowie Schraubenbohrungen
ab. Die Zylinderbohrungen in der Strahlmaske (Bohrbuchsen) sind ca.
4 – 5
mm im Durchmesser größer ausgeführt, als die
vorgespindelten Zylinderbohrungen im ZKG, um ein Anstrahlen der
Topdeckfläche
sicherzustellen. Die Strahlmaske wird über Indexstifte, welche in
Bohrungen des ZKG-Topdecks eingreifen, fixiert. Nach Beendigung
des Strahlvorganges wird die Strahlmaske mit der Strahleinheit automatisch
abgenommen und beim folgenden ZKG wieder aufgesetzt. Die Strahlmaske
besteht vorzugsweise aus 40 – 50
mm Stahlblech mit integrierten Bohrbuchsen. Das Sandstrahlen der
Zylinderbohrungen erfolgt vollautomatisch.
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Die
Oberflächenrauhigkeit
Rz beträgt
50–70 μm nach Sandstrahlen.
Nach dem Sandstrahlen der ersten Zylinderbohrung erfolgt ein vollautomatisches Vertakten
der Sandstrahleinheit um ein Zylinderstichmaß und die zweite Zylinderbohrung
wird gestrahlt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Zylinderbohrungen
eines ZKGs bearbeitet sind.
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Die
Aufbereitung des benutzten Strahlgutes erfolgt vorzugsweise über eine
3-stufige Siebstation mit vorgeschaltetem Magnetabscheider. Hierzu
wird das benutzte Strahlgut unterhalb des ZKGs abgesaugt und der
Siebstation zugeführt.
Hier erfolgt die Separierung von verbrauchtem Strahlgut, noch benutzbarem
Strahlgut und sonstigen Verunreinigungen. Vagabundierende Stäube innerhalb
der Strahlkabine werden über
eine Raumabsaugung abgesaugt und einer Filteranlage zugeführt.
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Vorzugsweise
wird das Al2O3Ti – Strahlgut eingesetzt,
das beim Auftreffen auf die Substratoberfläche scharfkantig zerplatzt
bis es zu Staub zerfällt. Daher
kann sich Staub auf der Substratoberfläche ablagern, welches zu Haftungsproblemen
bei der späteren
Plasmaspritzschicht führt.
Um die Staubpartikel aus der aufgerauhten Substratoberfläche zu entfernen,
werden alle Zylinderbohrungen mit Druckluft und rotierenden Düsen gereinigt.
Das Reinigen der Zylinderbohrungen sowie das Eintakten und fixieren
des ZKGs in der Reinigungsstation erfolgt vorzugsweise vollautomatisch.
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Nach
dem Reinigen der ersten Zylinderbohrung erfolgt ein vollautomatisches
Vertakten der Reinigungseinheit um ein Zylinderstichmaß und die zweite
Zylinderbohrung wird gereinigt. Dieser Vorgang wiederholt sich,
bis alle Zylinderbohrungen eines ZKGs gereinigt sind. Die abgeblasenen
Stäube werden
abgesaugt und einer Filteranlage zugeführt.
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Nach
dem Reinigen erfolgt das vollautomatische Eintakten in die Plasmastation.
Das ZKG wird in der Station exakt ausgerichtet und fixiert. Als
erster Arbeitsgang für
die Plasmabeschichtung wird das Topdeck mit einer Abdeckmaske, welche
außer
den Zylinderbohrungen alle Wasserkanäle und sonstigen Öffnungen
auf dem Topdeck verschließt,
abgedeckt. Vorzugsweise sollte die Abdeckmaske aus 40–50 mm Stahlblech
(ST 37 oder C45) bestehen und mit integrierten Verschleißhülsen im
Bereich der Zylinderbohrungen versehen sein. Die Abdeckmaske wird über Indexstifte,
welche sich in Bohrungen des Topdecks befinden, fixiert. Die Zylinderbohrungen
bzw. die Verschleißhülsen in
der Abdeckmaske sind ca. 4–5
mm im Durchmesser größer als
die vorgespindelte Zylinderbohrung im ZKG, um beim Beschichten einen
guten Kantenübergriff
sicherzustellen.
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Die
Plasmabeschichtung kann, in Abhängigkeit
von Schichtdicke, Motortyp und Motorbelastung, mit folgenden Beschichtungspulvern
erfolgen:
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– Beschichtungspulver
1: Fe – Mo
Pulver in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen
– Beschichtungspulver
2: niedrig legierter Stahl
– Beschichtungspulver 3: Metallpulver
auf keramischer Basis
– Haftgrund:
Cr Al Y Basis Ni.
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Die
Schichtcharakteristik der erzeugten Schicht muss folgende Anforderungen
erfüllen:
- I. Porosität – 1–2,5 %
- II. Mikrohärte – 300–500 HV0,3
- III. Haftzugfestigkeit –> 30 MPa
- IV. Schichtdicke – in
Abhängigkeit
des Vorspindel- bzw. Honmaßes
der Zylinderbohrung bis max. 300 μm
Rohschichtdicke, bezogen auf den Radius, ohne Haftgrund. Bei Zylinderbohrungen
mit größerem Vorspindel-
bzw. Honmaß der
Zylinderbohrung wird zur Verbesserung der Haftfestigkeit, insbesondere
zur Reduzierung der Schichteigenspannungen ein Haftgrund „NCrAlY" vor der eigentlichen
Deckschicht aufgetragen. Das Schichtdickenverhältnis, zumindest bei Schichten
von 300–500 μm (bezogen
auf den Radius), Haftgrund zu Laufschicht sollte 1/3 zu 2/3 betragen.
Durch den Einsatz der Haftgrundvorbeschichtung können Gesamtschichtdicken von
ca. 500 μm,
bezogen auf den Radius, erzeugt werden.
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Der
Beschichtungsablauf beim Auftragen des Haftgrundes und der nachträglichen
Laufschicht kann analog dem oben beschriebenen Beschichtungsablauf,
jedoch mit angepassten Parametern, durchführt werden. Ferner sind zwei
nacheinander folgende Beschichtungsdurchläufe, ohne Sandstrahlen und
Reinigen, erforderlich.
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Beschichtungsablauf
bei Haftgrund- und Deckschichtapplikation:
- 1)
Reinigen und entfetten des ZKGs und der Zylinderbohrungen
- 2) Sandstrahlen der Zylinderbohrungen
- 3) Reinigen der Zylinderbohrungen
- 4) Plasmabeschichten der Zylinderbohrungen mit Haftgrund
- 5) Bei Bedarf Zwischenkühlung
auf Raumtemperatur, abhängig
von der maximal zulässigen
Bauteiltemperatur
- 6) Plasmabeschichten der Zylinderbohrungen mit Deckschicht (Laufschicht)
- 7) Kühlen
der ZKG.
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Selbst
als kritisch anzusehende Zylinderwandstärken von ca. 2 mm können mit
einer Plasmaspritzschicht versehen werden, da die Erwärmung der
GG – Zylinderwand
dieser Dicke nicht über
120 °C ansteigt.
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Nachdem
die Beschichtung aller Zylinderbohrungen eines ZKGs mit o. a. Parametern
durchgeführt
wurde, wird die Abdeckmaske entfernt und das ZKG in die Kühlzone vertaktet.
Hier wird das ZKG auf Raumtemperatur mittels Kühlluft, erzeugt über ein
Kälteaggregat
o.ä., abgekühlt.
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Nach
der Beschichtung erfolgt die Fertigbearbeitung des ZKGs. Die erste
Bearbeitung der beschichteten Zylinderbohrung ist das Fasen auf
der Topdeckseite. Herstellung der Kolbenschlupffase und Trennung
der Schicht auf der Topdeckseite des ZKGs und der Schicht innerhalb
des Zylinders.
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Das
Fasen der Kolbenschlupffase erfolgt vorzugsweise mit einem mehrschneidigen
Werkzeug oder mit einem Planschieberwerkzeug. Die Werkzeuge sind
mit geeigneten Wendeschneidplatten bestückt. Das Anfahren des mehrschneidigen
Werkzeuges erfolgt in axiale Richtung der Zylinderbohrung. Durch
das mehrschneidige Werkzeug werden die auftretenden Schnittkräfte so aufgeteilt,
dass es nicht zu einer Stauchung der Plasmaspritzschicht in axialer
Richtung und damit zu Schichtabplatzern im Fasenbereich kommen kann.
Bei einem Planschieberwerkzeug wird der Fasenschnitt in radialer
Richtung zur Zylinderbohrung hergestellt. Auch hierbei ist sichergestellt,
dass es bei Einsatz der entsprechenden Schneidplatten nicht zu Stauchungen
der Plasmaspritzschicht und damit zu Schichtabplatzern im Fasenbereich
kommen kann.
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Nach
dem Fasen erfolgt die Nachbearbeitung des Topdecks durch eine Fräsoperation.
Hierbei werden alle Plasmaspritzschichtreste vom Topdeck entfernt.
Zusätzlich
wird das Topdeck geglättet,
so dass für
die später
zu montierende Zylinderkopfdichtung und Zylinderkopf eine plane
Oberfläche
vorhanden ist. Nach dem Fräsen
des Topdecks erfolgt das Feinbearbeiten der beschichteten Zylinderbohrungen durch
eine Honoperation vorzugsweise mit Diamant-Honleisten auf den ursprünglichen
Seriendurchmesser der Zylinderbohrung.
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Die
Honbearbeitung wird in drei Honstufen unterteilt.
- 1
te. Honstufe – Vorhonen
- 2 te. Honstufe – Zwischenhonen
- 3 te. Honstufe – Fertighonen.
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Alle
Honleisten sind hinsichtlich Diamantkörnung, prozentualem Anteil
Diamanten und Bindungen speziell auf die Bearbeitung der jeweiligen
Plasmaspritzschicht (Laufschicht) abzustimmen.
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Die
einzuhaltende Form- und Lagetoleranzen nach dem Honen sind:
Geradheit,
Rundheit,
Parallelität und
Zylinderform.
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Nach
Abschluss der Honoperation können weitere
erforderliche mechanische Bearbeitungsstufen außerhalb der Plasmabeschichtung
durchgeführt werden.
Nach Fertigstellung aller mechanischen Operationen wird das mechanisch
fertige ZKG einem Endwäscher
zugeführt.
Das ZKG wird hier komplett von Emulsion, Spänen und weiteren Verunreinigungen
gereinigt und vakuumgetrocknet. Zusätzlich erfolgt hier ein Fluidreinigen
der fertig gehonten Zylinderbohrungen mit alkalischem Reiniger,
um alle Verunreinigungen, insbesondere Honschlamm, aus den Poren
der Plasmaspritzschicht zu entfernen, da diese später im Motorbetrieb
die Öltaschen
für das
Mikrodruckkammersystem bilden. Außerdem können Verunreinigungen innerhalb
der Plasmaspritzschicht (Poren) im Motorbetrieb zu Motorschäden führen.
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Alternativ
kann die Fluidreinigungsstation auch im Anschluss an die dritte
Honoperation integriert werden. Als Reinigungsmedium kann hier feinstfiltrierte
Honemulsion benutzt werden. Erfolgt das Honen der Plasmaspritzschicht
mit Honöl
muss die Fluidreinigung mit alkalischem Reiniger erfolgen. Hierbei
ist darauf zu achten, dass sich das Fluidreinigungsmittel nicht
mit dem Honöl
vermischt. Die dann entstehende Emulsion, angereichert mit alkalischem Reiniger,
verhindert eine einwandfreie Honung der plasmabeschichteten Zylinderbohrungen.
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Nach
Abschluss des Reinigungs- und Fluidstrahlvorganges erfolgt die Endkontrolle
des fertigen ZKGs. Sind alle vorgegebenen Qualitätsparameter eingehalten kann
mit diesem ZKG ein Austauschmotor o. ä. mit normalen Serienkolben
und auf die Plasmaspritzschicht abgestimmte Serien – Kolbenringpakete
aufgebaut werden.
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Auch
bei Aluminium (Al) – ZKG,
welche im Bereich der Zylinderlaufflächen mit einer Plasmaspritzschicht
versehen wurden, kann es über
die Laufzeit eines Motors zu Beschädigungen der Zylinderlaufflächen kommen
und die Möglichkeit
geben, die Plasmaspritzschicht durch eine neue Plasmaspritzschicht
zu ersetzen. Die nachfolgend beschriebene Methode ist auch geeignet
für Al – ZKG, welche
bei der Originalbearbeitung in der mechanischen Fertigung des Motorenherstellwerkes,
nach dem Auftragen der Plasmaspritzschicht beschädigt wurden, wieder aufzuarbeiten.
Hier können
fehlerhafte Fertigungsabläufe,
wie Werkzeugverschleiß,
Fressen der Honahlen o. ä.
die Ursache für
diese Beschädigungen
sein. Ferner können
auch Ausschuss – ZKG,
welche durch Fehler beim Erzeugen der Plasmaspritzschichten in der
Zylinderlauffläche
erzeugt wurden, wieder aufgearbeitet werden.
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Bei
einem gelaufenen Motor ist folgender Fertigungsablauf vorgesehen:
- a) Demontage und Reinigung des defekten Motors
einschließlich
Demontage des Zylinderkurbelgehäuses
sowie dessen Einbauteile wie Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, etc.
- b) Nachreinigung des ZKGs und vorzugsweise Aufnahme auf eine
Honmaschine. Exaktes Ausrichten des ZKGs auf der Honmaschine, so
dass die ursprüngliche
Zylinderstich- und Mittenmasse wieder hergestellt werden kann. Verspannen
des ZKGs und Aushonen der Zylinderbohrungen bis keinerlei Plasmaspritzschicht
oder Beschädigungsspuren
mehr sichtbar bzw. messbar sind.
- c) Aushonen der Plasmaspritzschicht:
– Schrupphonen mit Diamant-Honleiste
– Elektromechanische
Aufweitung der Honahlen
– Honabtrag
ca. 100–160 μm
Die
Form- und Lagetoleranzen der ausgehonten Zylinderbohrung sollten
hierbei schon denen der später
fertigen Zylinderbohrungen entsprechen, da Abweichungen von diesen
Toleranzen durch die Plasmabeschichtung nicht wieder hergestellt werden
können.
- d) Einzuhaltende Form- und Lagetoleranzen nach dem Honen bezüglich
Geradheit,
Rundheit,
Parallelität und
Zylinderform.
- e) Nach dem Honen wird das ZKG von der Honmaschine abgespannt
und in einer Waschmaschine, vorzugsweise ausgerüstet mit einer Injektions- Flutwaschkammer
und einem Hochdruckwaschsystem, komplett gewaschen, entfettet und
getrocknet, so dass das ZKG absolut späne- und emulsionsfrei ist und
alle Zylinderbohrungen absolut fettfrei sind. Das Entfetten der
Zylinderbohrungen erfolgt vorzugsweise mit Heißdampf. Nach dem Reinigen erfolgt
die Trocknung mittels eines Vakuumtrockners, so dass eine absolute
Trocknung des ZKGs erreicht wird. Das so vorbereitete ZKG wird nun
der Plasmaspritzanlage zugeführt.
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Anstelle
des Aushonens der gelaufenen Plasmaspritzschicht kann auch ein Ausstrahlen
der Plasmaspritzschicht mit Al2O3 Ti, Körnung
größer F36,
z. B. F24 o. ä.
erfolgen.
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Aufgrund
der einzuhaltenden Form- und Lagetoleranzen ist ein Ausspindeln
der gelaufenen Plasmaspritzschicht, und damit Trennung vom Substrat,
nur mit speziell geeigneten Werkzeugen möglich. Hierbei ist muss sichergestellt
sein, dass beim Spindeln der homogenen Plasmaspritzschicht keine Schnittunterbrechung
auftreten.
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Anschließend erfolgt
vorzugsweise eine Sandstrahlbehandlung wie bei Grauguß-ZKG.
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Zusätzlich können Plasmaspritzschichtreste, welche
beim Honen nicht restlos entfernt wurden, durch mehrmaliges Ausstrahlen
der Zylinderbohrung, u. U. mit einem gröberen Strahlgut, z. B. F24 (0.7–1.35 μm) o. ä., entfernt
werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass kein sog. Überstrahlen
auftritt. Dabei tritt durch das mehrfache Strahlen wieder eine Abflachung
der aufgerauhten Al-Oberfläche
(in der Regel nach viermaligen Strahlen) auf und die geforderte
Oberflächenrauhigkeit
von beispielsweise Ra 8–10 μm und Rz
50–70 μm kann nicht
eingehalten werden. Sollte dieser Fall eintreten, ist ein nochmaliges
Strahlen mit der Körnung
F36, und damit eine Aufrauhung der Al-Oberfläche auf die geforderten Sollwerte,
erforderlich. Zur Kontrolle sind die Oberflächenrauhigkeitswerte mit einem
Perthometer zu kontrollieren.
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Die
weiteren Verfahrensschritte entsprechen den oben dargestellten für GG – ZKGs,
wobei jedoch eine max. ZKG -Temperatur beim Beschichtungsvorgang,
mit einen oder zwei Brennern gleichzeitig, ca. 130 °C, vorgesehen
ist.
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Auch
bei Al-ZKG mit eingegossener GG-Buchse kann es über die Laufzeit eines Motors zu
Beschädigungen
der Zylinderlaufflächen
kommen. Bei ZKGs mit eingegossener GG-Buchse ist die Instandsetzung
jedoch im wesentlichen davon abhängig,
ob sich die GG-Buchse vom Substrat gelöst hat – hervorgerufen durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
E-Module, Überbelastung
des Motors, etc. Ist die GG-Buchse noch im Substrat fest verankert,
so ist eine Plasmabeschichtung der GG-Buchse und damit eine Wiederherstellung
der Zylinderlaufflächen
in Serienabmessungen möglich.
Der Wiederherstellungsprozess ist identisch mit der von Zylinderlaufflächen in
GG – Zylinderkurbelgehäusen.
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Um
den Verbund von Buchsen (GG-, Rauhguss-, Silitec-, Gördel-Buchsen
o.ä.),
welche nicht mit der Al-Basislegierung verschmolzen sind, mit dem
Al-Substrat zu prüfen,
besteht die Möglichkeiten der
Schallemissionsmessung. Eine gelöste
Buchse im Al-Substrat ist im kalten Zustand eines ZKGs nur sehr
schwer, wenn überhaupt
zu analysieren. Beschädigungen
dieser Art werden meist nur im motorischen Betrieb oder bei der
mechanischen Bearbeitung durch „Springen" des Bearbeitungswerkzeuges festgestellt.
Selbst bei zerstörender
Prüfung
mit anschließender
Schlifferstellung und Beurteilung im REM ist die gelöste Buchse
aufgrund des intensiven Verbundes mit dem Al – Substrat nur schwer analysierbar.
Bei der Schallemissionsmessung werden Schallsensoren, welche mindestens
eine Temperaturbeständigkeit
von 150 °C
aufweisen, auf die Zylinderstege im Bereich des Topdecks eines ZKGs
aufgesetzt, kontaktgebend mit dem Al verspannt und über geeignete
Messleitungen mit einem Aufzeichnungsgerät verbunden. Das so präparierte
ZKG wird in einen Wärmeofen
gegeben und auf eine Temperatur von 150°C aufgeheizt. Durch die Aufheizung
des ZKGs ergeben sich ähnliche
Verhältnisse
wie beim Motorbetrieb, d. h. unterschiedliche Ausdehnung des Al-Substrates und der
Buchse.
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Hat
sich die Buchse im Substrat bereits gelöst, ist eine Wiederherstellung
der Serienzylinderbohrung mittels Plasmaspritzschicht nicht mehr
möglich,
da die Wandstärke
einer z. B. GG-Buchse von ca. 1,4 mm nicht mit einer Plasmaspritzschicht
erzeugt werden kann. Um solche ZKGs wieder aufzubereiten, besteht
die Möglichkeit,
eine neue Buchse kalt einzuschrumpfen, ausgeschlossen hiervon sind eingegossenen
Bördelrandbuchsen.
Dabei wird wie folgt vorgegangen:
- a) Demontage
und Reinigung des defekten Motors einschliesslich Demontage des
Zylinderkurbelgehäuses
sowie dessen Einbauteile wie Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, etc.
- b) Nachreinigung des ZKGs und Aufnahme auf ein BAZ. Exaktes
Ausrichten des ZKGs auf dem BAZ, so dass die ursprüngliche
Zylinderstich- und Mittenmasse wieder hergestellt werden kann. Verspannen
des ZKGs und Ausspindeln der GG- Buchse, einschliesslich der freigelegten
Substratfläche,
bis keinerlei GG- bzw. Buchsenreste mehr vorhanden sind.
- c) Das Ausspindeln erfolgt aufgrund der geforderten Form- und
Lagetoleranzen der Zylinderbohrung, vorzugsweise mit einem ein-
oder mehrschneidigen Werkzeug bestückt mit entsprechenden Schneidplatten.
Die erzeugte Oberflächenrauhigkeit
der gespindelten Zylinderbohrung muss Rz ≤ 10 μm betragen.
- d) Nach dem Ausspindeln wird das ZKG vom BAZ abgespannt und
in einer Waschmaschine, vorzugsweise ausgerüstet mit einer Injektions- – Flutwaschkammer
und einem Hochdruckwaschsystem, komplett gewaschen, entfettet und
getrocknet, so dass das ZKG absolut späne- und emulsionsfrei ist und
alle Zylinderbohrungen absolut fettfrei sind. Das Entfetten der
Zylinderbohrungen erfolgt vorzugsweise mit Heissdampf. Nach dem Reinigen
erfolgt die Trocknung mittels eines Vakuumtrockners, so dass eine
absolute Trocknung des ZKGs erreicht wird.
- e) Geeignete GG- oder ähnliche
Buchse mit entsprechend dickerer Wandstärke mit N2 auf mindestens 200 °C unterkühlen und
in die freigelegten Zylinderbohrungen passgenau, obere und untere
Zylinderbohrungskante, einsetzen und auf Raumtemperatur erwärmen.
- f) Die so eingeschrumpfte Buchse kann danach auf den Seriendurchmesser
der Zylinderbohrung über
ein vorzugsweise vierstufiges Fluidhonverfahren bei GG-Buchsen oder bei
Buchsen anderer Basismaterialien über entsprechende Verfahren
(ätzen
o. ä.)
fertiggestellt werden.
- g) Das vierstufige Fluidhonverfahren für GG beinhaltet nachfolgende
Arbeitsschritte:
– Vorhonen
– Zwischenhonen
– Fluidstrahlen
– Glätthonen.