DE19614328A1 - Verfahren zum Beschichten und/oder spanabhebenden Bearbeiten von vorbehandelten Werkstück-Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten und/oder spanabhebenden Bearbeiten von vorbehandelten Werk­ stück-Oberflächen.

Die Oberflächen von insbesondere metallischen Werkstücken werden zu verschiedenen Zwecken beschichtet; beispielsweise werden die Wandungen der Bohrungen von Leichtmetall-Zylin­ dern für Verbrennungsmotoren mit einer Schicht aus Nickel- Siliziumkarbid versehen, um die notwendige Abriebfestigkeit zu erzielen. Die Bohrungen von Grauguß-Zylindern werden üb­ licherweise gehont, wobei Material mittels Honsteinen abge­ tragen wird, bis in der Feinstbearbeitung das Sollmaß der Bohrung erreicht ist. Auch bei anderen Werkstücken, bei­ spielsweise bei Wellen, ist eine Oberflächenbehandlung durch Beschichten und/oder spanabhebendes Bearbeiten mög­ lich.

Um die Oberflächenbehandlung durch Beschichten oder spanab­ hebendes Bearbeiten zu verbessern, wird häufig eine Vorbe­ handlung angewendet, bei der die Werkstück-Oberfläche auf­ gerauht wird. So wird beispielsweise durch Strahlbehandlung mit kaltem Eisenschrot oder einem anderen abrasiven Ma­ terial die Haftfähigkeit der Oberfläche für eine nachfol­ gende Beschichtung verbessert. Für die spanabhebende Feinstbearbeitung, insbesondere durch Honen, ist eine Vor­ behandlung der Werkstück-Oberflächen durch mechanisches oder elektrochemisches Aufrauhen bekannt; diese Vorbehand­ lung hat in erster Linie den Zweck, die Schneidleistung und Standzeit der abrasiven Werkzeuge zu erhöhen. Das Schneid­ verhalten solcher Werkzeuge beruht darauf, daß während der Bearbeitung durch Abrasion laufend neues Schneidkorn frei­ gelegt wird, und dieser Vorgang wird begünstigt, wenn die zu bearbeitende Oberfläche aufgerauht ist.

Das Aufrauhen durch Strahlen mit abrasivem Material oder durch elektrochemische Behandlung ergibt eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche. Das wirkt sich auf die danach durch Beschichtung erzielte Oberfläche ungünstig aus, zumal dann, wenn die Schicht sehr dünn ist. Auch für eine spanab­ hebende Feinstbearbeitung ist eine so vorbehandelte Ober­ fläche meist nicht optimal, weil sich die Unregelmäßigkei­ ten auf das Werkzeug und damit wiederum auf die Struktur der Oberfläche auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ergebnis der Beschichtung und/oder der spanabhebenden Bearbeitung da­ durch zu verbessern, daß die Werkstück-Oberfläche dieser Behandlung entsprechend vorbereitet wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Behandlung mit Laserstrahlen wird die Werkstück- Oberfläche in einem regelmäßigen Muster strukturiert, das beliebig wählbar, an die nachfolgende Beschichtung oder spanabhebende Bearbeitung anpaßbar und jederzeit reprodu­ zierbar ist. Als Muster können Linien vorgegeben werden, die parallel und geradlinig, aber auch wellenförmig verlau­ fen können, und an denen entlang mittels der Laserstrahlen Vertiefungen erzeugt werden, wobei die Linien in Gruppen oder Scharen angeordnet werden können, derart, daß die Li­ nien der einzelnen Gruppen oder Scharen einander überkreu­ zen. Die Anordnung und der Verlauf der Vertiefungen sind, ebenso wie ihre Tiefe und Ausrichtung zur Werkstück-Ober­ fläche, sehr genau vorherbestimmbar, so daß für die nach­ folgende Endbehandlung das jeweils optimale Ergebnis ent­ sprechend der angepaßten Vorbehandlung erzielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders auch zur Be­ schichtung von Werkstück-Oberflächen durch Thermospritzen geeignet, wobei eine dünne Kunststoffschicht auf die Ober­ fläche aufgetragen wird.

Für die Bearbeitung von Bohrungswandungen in Zylindern er­ gibt sich die Möglichkeit, die Strukturierung nur bereichs­ weise vorzusehen, beispielsweise für den Fall, daß die Zy­ linder für Verbrennungsmotoren unterschiedlich harte Teil­ bereiche aufweisen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungs­ beispiele näher erläutert, die in den Zeichnungen darge­ stellt sind. Es zeigen

Fig. 1a einen Teil-Querschnitt durch ein Werkstück nur im Bereich von dessen Oberfläche, die beispielsweise durch Bohren erzeugt wurde,

Fig. 1b den Oberflächenbereich nach Fig. 1a nach einer Strukturierung mittels Laserstrahlen zur Vorbe­ reitung einer Beschichtung und/oder einer spanab­ hebenden Feinstbearbeitung,

Fig. 2a bis 2d verschiedene Muster für die Strukturierung einer Werkstück-Oberfläche mittels Laserstrahlen, in Ansicht auf eine Abwicklung einer Bohrungswan­ dung,

Fig. 3a ausschnittsweise ein Oberflächenprofil im Schnitt nach I-I in Fig. 2a,

Fig. 3b ein Oberflächenprofil in einer Darstellung entspre­ chend Fig. 3a,

Fig. 3c ausschnittsweise ein Oberflächenprofil im Schnitt nach II-II in Fig. 2d.

Fig. 1a zeigt ausschnittsweise und schematisch im Schnitt einen Teilbereich eines Werkstückes mit einem Oberflächen­ profil, wie es durch eine Vorbearbeitung, beispielsweise durch Bohren entstanden ist, wobei in der vergrößerten Dar­ stellung eine leichte Welligkeit angenommen ist, die norma­ lerweise nicht gleichförmig ist. Diese Oberfläche wurde mittels eines Laserstrahles strukturiert, wobei das Profil nach Fig. 1b entstanden ist. Die ebenfalls schematische Darstellung zeigt Vertiefungen 1, die sich mit zunehmender Tiefe verjüngen und an der äußeren Begrenzungsebene eine Breite B von beispielsweise 20 bis 140 µm haben; ihre Tiefe T beträgt im Ausführungsbeispiel 5 bis 80 µm.

Der Lasereinheit, die den Laserstrahl erzeugt, ist in be­ kannter Weise ein beweglicher Strahlkopf zugeordnet, mit dem die Bewegungsrichtung des Laserstrahles gesteuert wer­ den kann, dessen Intensität ebenfalls in bekannter Weise steuerbar ist.

Die Fig. 2a bis 2d zeigen verschiedene Muster einer Strukturierung an der abgewickelten Wandung einer Bohrung mit der Achse A. Mit Laserstrahlen erzeugte Strukturierun­ gen dieser Art können aber auch an Planflächen und ebenso an zylindrischen Außenflächen wie beispielsweise an Wellen erzeugt werden.

Fig. 2a zeigt schematisch Vertiefungen 1a und 1b, die als durchgehende Rillen jeweils entlang von parallelen, geraden Linien verlaufen, wobei die Rillen 1a und 1b einander im Winkel α von etwa 60° überschneiden. Dieses Muster ent­ spricht etwa dem Verlauf von Honspuren, die bei der Bear­ beitung einer Bohrungswandung mit heb- und senkbaren sowie drehbaren Honwerkzeugen entstehen. Die in der Abwicklung geradlinigen Rillen 1a und 1b verlaufen dementsprechend an der Bohrungswandung wendelförmig. Der Überschneidungswinkel α wird in Abhängigkeit von der nachfolgenden Bearbeitung der Werkstück-Oberfläche gewählt und kann daher größer oder kleiner sein, beispielsweise zwischen 40° und 150° betra­ gen.

Bei dem Muster nach Fig. 2b sind Vertiefungen 1c ebenfalls entlang von parallelen Linien angeordnet, jedoch als unter­ brochene Rillen ausgeführt, so daß sich auf jeder gedachten Linie einzelne, langgestreckte Vertiefungen 1c fluchtend zueinander befinden. Diese einzelnen Vertiefungen können gleich lang sein, aber auch, wie im Ausführungsbeispiel, unterschiedliche Länge haben. Sie sind in benachbarten Rei­ hen gegeneinander versetzt, also teilweise auf Lücke ange­ ordnet. Die gedachten Linien verlaufen parallel und in der Abwicklung geradlinig, wobei ihr Verlauf an der Bohrungs­ wandung wendelförmig ist.

Bei dem Muster nach Fig. 2c sind die gedachten Linien eben­ falls parallel, in der Abwicklung gerade und an der Boh­ rungswandung wendelförmig. Die auf ihnen befindlichen Ver­ tiefungen 1d sind annähernd punktförmige Einsenkungen oder auch linsenförmig.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2d sind als Muster Scharen von einander überkreuzenden Linien ähnlich wie in Fig. 2a vorgesehen, wobei der Überschneidungswinkel α jedoch we­ sentlich größer ist; er beträgt etwa 150°. Auf diesen Li­ nien sind Vertiefungen 1e und 1f in Form von unterbrochenen Rillen ähnlich wie in Fig. 2b vorhanden. Dieses Muster ent­ hält außerdem eine Schar von Linien, die im Winkel von an­ nähernd 90° zur Bohrungsachse A verlaufen, und auf denen Vertiefungen 1g ebenfalls in Form von unterbrochenen Rillen vorhanden sind.

In Fig. 3a ist ausschnittsweise das Profil des Oberflächen­ bereiches entlang der Schnittlinie I-I aus Fig. 2a darge­ stellt. Die Vertiefungen 1b sind in ihrer Erstreckung läng­ lich, wobei ihre Längsmittelachse C im Winkel β₁ schräg zur mittleren Begrenzungsebene 2 der vorbearbeiteten Werkstück- Oberfläche (vgl. Fig. 1a) verläuft. Der Winkel β₁ beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 55°, kann aber auch größer oder kleiner sein. Die zur Oberfläche 2 geneigte Lage der Ver­ tiefungen 1b ist besonders für eine nachfolgende Beschich­ tung geeignet. Die damit erzielte Verankerung des Beschich­ tungsmaterials im Rundwerkstoff wirkt einem späteren Ablö­ sen der Schicht entgegen.

Fig. 3b zeigt in einer Darstellung entsprechend Fig. 3a außer den Vertiefungen 1b weitere Vertiefungen 1b′, wobei die aufeinanderfolgenden Vertiefungen 1b und 1b′ mit gleich großen Winkeln β₁ und β₂ ihrer Achsen C bzw. C′, jedoch ge­ gensinnig ausgerichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine be­ sonders haltbare Verankerung des Beschichtungsmaterials im Grundwerkstoff.

In Fig. 3c ist im Schnitt nach II-II in Fig. 2d aus­ schnittsweise ein Oberflächenprofil dargestellt, bei dem an den Rändern der Vertiefungen 1e Aufwerfungen 3 vorhanden sind, die durch die Laserstrahl-Behandlung erzeugt worden sind. Diese Aufwerfungen bilden Erhebungen über die mittlere Begrenzungsebene 2 der Werkstück-Oberfläche. Ihre Höhe h kann beispielsweise 5 bis 25 µm betragen. Die Bil­ dung dieser Aufwerfungen kann durch Wahl der Bearbeitungs­ parameter des Lasers beeinflußt werden, beispielsweise durch Leistung und Frequenz des Lasers sowie durch die Ge­ schwindigkeit der Bewegung des Strahlkopfes. Auch die Spü­ lung der Werkstück-Oberfläche während der Bearbeitung be­ einflußt das Entstehen und die Form solcher Aufwerfungen.

Die Oberflächenstruktur mit Aufwerfungen entsprechend Fig. 3c oder einer ähnlichen Gestaltung ist besonders für eine anschließende spanabhebende Feinstbearbeitung geeignet, beispielsweise durch konventionelles Honen oder auch durch Reibhonen mittels eines Hondornes. Die Aufwerfungen 3 erge­ ben für die abrasiven Schleifmittel des Honwerkzeuges einen Schereffekt, wodurch besonders wirksam jeweils neues Schleifkorn freigelegt wird. Dadurch kann der Anpreßdruck des Werkzeuges geringer gehalten werden und die Abtrag­ leistungen werden erhöht. Das ergibt auch eine höhere Ge­ nauigkeit der Maße einer fertig bearbeiteten Bohrungsober­ fläche. Infolge der höheren Abtragleistungen und der ver­ besserten Bohrungsgenauigkeit beim Honen kann bei einer mehrstufigen Honbearbeitung eine Stufe übersprungen werden, so daß die Bearbeitungszeiten verkürzt werden.

Die mittels Laserstrahlen zu behandelnde Werkstück-Ober­ fläche (Fig. 1a) kann spanlos oder auch spanend vorbear­ beitet sein. Außer der Kombination von Mustern, wie sie in Fig. 2d dargestellt ist, sind je nach Anwendungsfall auch andere Mischformen verschiedener Muster möglich und geeig­ net.

Zur Vorbereitung einer spanabhebenden Feinstbearbeitung auf ein vorgegebenes Endmaß werden die Vertiefungen zweckmäßig so dimensioniert, daß sie infolge des Werkstoffabtrags bei der Feinstbearbeitung verschwinden. Die Tiefe T (Fig. 1b) entspricht dann der Bearbeitungszugabe für das Erreichen des Fertigmaßes. Die Tiefe T kann auch größer gewählt wer­ den, wenn in der fertig bearbeiteten Werkstück-Oberfläche Vertiefungen zugelassen werden, die von der Behandlung mit Laserstrahlen herrühren. Durch eine derartige größere Tiefe kann die Fertigbearbeitung zusätzlich erleichtert werden.

Es können in verschiedenen Teilbereichen der Werkstück­ oberfläche, beispielsweise in verschiedenen axialen Ab­ schnitten einer Bohrung, Strukturierungen mit unterschied­ lichen Mustern erzeugt werden. Damit kann unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften Rechnung getragen werden, die in verschiedenen Bereichen der Werkstück-Oberfläche gegeben sein können. Auch kann es zweckmäßig sein, nur bestimmte Teilbereiche der Werkstück-Oberfläche mittels Laserstrahlen zu strukturieren. Das ist insbesondere bei Zylindern von Verbrennungsmotoren von Bedeutung, bei denen der Werkstoff in axialen Abschnitten der Bohrungen unterschiedliche Härte hat. Beim Honen entsteht dann am Übergang von den härteren zum weicheren Abschnitt ein größerer Werkstoffabtrag, so daß die Bohrung im weicheren Abschnitt ungewollt aufge­ weitet wird. In einem solchen Bearbeitungsfall ist es empfehlenswert, jeweils nur den Bohrungsabschnitt, in dem die größere Werkstoffhärte gegeben ist, mittels Laserstrah­ len zu strukturieren. Es wird dann bei dem nachfolgenden Honen ein etwa gleicher Werkstoffabtrag über die gesamte Bohrungslänge erreicht, womit eine höhere Maßgenauigkeit der fertigen Bohrung erzielt wird, die beispielsweise genau zylindrisch mit über die Länge gleichem Durchmesser sein soll.

Bei einer mehrstufigen Feinstbearbeitung kann die Vorbe­ reitung der Werkstück-Oberfläche durch Strukturierung mit­ tels Laserstrahlen auch zwischen zwei Bearbeitungsstufen ausgeführt werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Beschichten und/oder spanabhebenden Bear­ beiten von vorbehandelten Werkstück-Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Oberflächen zur Vorbereitung der Beschichtung und/oder einer span­ abhebenden Feinstbearbeitung, insbesondere Honen mit­ tels Honsteinen, mittels Laserstrahlen in einem regel­ mäßigen Muster strukturiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Laserstrahlen in der Werkstück-Oberfläche in regelmäßigen Abständen Vertiefungen (1) entlang von gedachten, vorzugsweise parallelen Linien erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster aus zwei oder mehr Scharen von parallelen Linien mit vorzugsweise ge­ radlinigem Verlauf besteht, wobei die Linien von min­ destens zwei Scharen einander schneiden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschneidungswinkel (α) der Linien zwischen 60° und 150° beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (1a; 1b) entlang den Linien durchgehende Rillen sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (1c; 1d) nach einem Muster von entlang den Linien aneinander­ gereihten Punkten oder Strichen erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Strukturierung Vertiefungen (1; 1b; 1e) erzeugt werden, die im Quer­ schnitt tiefer als breit sind und sich vorzugsweise nach innen verjüngen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Ver­ tiefungen (1e) im Querschnitt mit ihrer Längsmittel­ achse etwa senkrecht zur Werkstück-Oberfläche ausge­ richtet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Ver­ tiefungen (1b; 1b′) im Querschnitt mit ihrer Längsachse schräg zur Werkstück-Oberfläche ausgerichtet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Querschnittsprofil aufeinanderfolgende Vertiefungen (1b; 1b′) gegensinnig schräg ausgerichtet sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Werkstück-Oberfläche Aufwerfungen (3) des Werkstoffes erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11 und einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwerfungen (3) an den Rändern mindestens einiger der Vertiefungen (1e) er­ zeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Aufwerfungen etwa 5 bis 25 µm beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Vertiefungen (1) etwa gleich der Bearbeitungszugabe für die nachfol­ gende spanabhebende Bearbeitung oder etwas größer ge­ wählt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (1) mit einer Breite von 20 bis 140 µm und einer Tiefe von 5 bis 80 µm erzeugt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Oberfläche nur bereichsweise strukturiert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Oberfläche bereichsweise unterschiedlich strukturiert wird.