DE19742739B4

DE19742739B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19742739B4
Application number: DE19742739A
Authority: DE
Inventors: Hans Wilhelm Prof. Dr.-Ing.habil. Bergmann; Jochen Dipl.-Ing. Barnikel; Horst Dipl.-Ing. Lindner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1997-09-27
Filing date: 1997-09-27
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2017-09-28
Also published as: DE19742739A1

Abstract

Verfahren zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen unter Stickstoffatmosphäre mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (16, 20) aus mindestens zwei Wellenlängenbereichen des nahinfraroten oder sichtbaren Spektrums einerseits und des ultravioletten Spektrums andererseits appliziert wird, wobei der Infrarot- oder sichtbare Laserstrahl (20) kontinuierlich oder mit langer Impulsdauer bis zu 100 μs und der UV-Laserstrahl (16) im ns-Bereich betrieben wird und wobei die Laserstrahlung (16, 20) zumindest eines Lasers (14, 18) mit Hilfe eines Strahlhomogensisators (26) homogenisiert wird

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen unter Stickstoffatmosphäre mittels Laserstrahlung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist in der EP 0 745 450 A1 beschrieben. Dabei wird mittels eines gepulsten UV-Lasers unter Stickstoffumgebung auf der Oberfläche eines Werkstückes aus einer AlSi-Legierung eine mehrere μm-starke Aluminiumnitrit (ALN) Oberflächenschicht ausgebildet, die nahezu homogen und glattflächig vorliegt, so daß hervorragende tribologische Eigenschaften und eine hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Die Oberflächen können bevorzugt Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen, aber auch andere Gleit- oder Lagerflächen sein. Zur Erzielung einer ausreichenden Nitritschicht (N) ist eine relativ große Anzahl von Laserpulsen erforderlich, die entsprechend in die Bearbeitungszeit eingeht.

Aus der DE 37 14 504 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlen bekannt geworden, bei dem eine gleichzeitige Beaufschlagung eines Werkstückes mit IR- bzw. UV-Laserstrahlung vorgesehen ist. Dabei geht es aber nicht um die Bearbeitung der Zylinderlaufbahnen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen zur Optimierung zum Beispiel von Diffusionstiefe und tribologischen Eigenschaften, sondern es wird dort insbesondere das Ziel verfolgt, ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von solchen Metallen zu optimieren, deren Oberfläche IR-Laserstrahlung stark reflektiert, wie beispielsweise Kupfer, Silber oder Gold. Letztendlich wird der Wirkungsgrad der Einkopplung einer IR-Laserstrahlung durch die gleichzeitige Beaufschlagung des Werkstückes mit UV-Laserstrahlung erhöht.

Aus der weiterhin noch zu erwähnenden DE 32 42 612 C2 geht eine Laserstrahlvorrichtung hervor, bei der ein erster Laser, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser und ein zweiter Laser, der eine Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge emittiert, räumlich getrennt angeordnet sind. Die von diesen Strahlungsquellen emittierten Laserstrahlen werden über einen Strahlteiler koaxial ausgerichtet und mittels einer Optik auf ein Werkstück fokussiert.

Auch sei noch auf die DE 42 29 397 A1 verwiesen, der eine Vorrichtung zur Bearbeitung der Oberflächen von Werkstücken unter Verwendung eines Nd:YAG-Lasers entnommen werden kann, bei der eine Laserstrahlung über einen Strahlteiler ausgekoppelt und mittels eines Kristalls frequenzverdoppelt und gegebenenfalls mittels eines Verstärkerkristalls verstärkt wird. Die beiden unterschiedlich frequenzvervielfachten Strahlungsanteile werden mittels eines Strahlenteilers wiedervereinigt und über eine Laseroptik auf die Oberfläche eines Werkstückes appliziert.

Letztendlich geht aus der US 5,272,309 A ein Verfahren als bekannt hervor, bei der die Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen entlang einer gemeinsamen optischen Achse verlaufen. Dort wird auch ein IR-Laser offenbart, der gleichzeitig auf einer Grundwellenlänge und einer frequenzvervielfachten Wellenlänge betrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass auch andere Metalle, z. B. Gusseisen, bearbeitbar sind, wobei die Diffusionstiefe, die tribologischen Eigenschaften und der Fertigungsaufwand weiter verbessert werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit Patentanspruch 2 gelöst.

Erfindungsgemäß wird auf die zu bearbeitende Oberfläche eine Laserstrahlung aus mindestens zwei Wellenlängenbereichen des nahinfraroten oder sichtbaren Spektrums einerseits und des ultravioletten Spektrums andererseits appliziert. Mittels der erstgenannten langwelligen Strahlung wird die Oberfläche lokal je nach bearbeitetem Werkstoff auf z. B. 400–450°C erwärmt und dann wie an sich bekannt die UV-Laserstrahlung indiziert, wobei der Stickstoff bzw. die Nitritschicht eindiffundiert. Dabei ist bei gleicher oder noch größerer Eindringtiefe bzw. Schichtstärke ein geringerer Energieaufwand bei der UV-Laserapplikation erforderlich. Die Fertigungszeit bei einer Serienfertigung ist insgesamt verringert.

Der infrarote oder sichtbare Laserstrahl kann kontinuierlich oder mit langer Pulsdauer bis zu 100 μs und der UV-Laserstrahl im ns-Bereich betrieben werden. Daraus resultiert eine extrem schnelle Vorwärmung der lokalen Oberfläche mit anschließendem Eindiffundieren des Stickstoffes. Bevorzugt kann dabei der UV-Laser ein Excimer-Laser und der Nahinfrarot-Laser ein Nd:YAG-Laser sein. Zur Verringerung des Fertigungsaufwandes wird ferner vorgeschlagen, daß die Laserstrahlung der beiden Wellenlängen auf derselben optischen Achse betrieben werden, d. h., daß die für die Bearbeitung der Oberfläche (Strahllenkung, Fokusierung) erforderliche Laseroptik nur einmal vorhanden zu sein braucht.

Dabei kann die Energie des einen Lasers über einen Strahlteiler umgelenkt bzw. in die Strahlachse des anderen Lasers eingekoppelt werden. Es kann aber auch bei verringertem Investitionsaufwand ein Infrarotlaser oder sichtbares Licht emittierender Laser gleichzeitig auf der Grundwellenlänge und unter Verwendung von Strahlteilern und einem Verstärker auf einer frequenzvervielfachten Länge betrieben werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich ferner die Verwendung eines Strahlhomogenisators gezeigt, mittels dem auch bei relativ großen Diffusionstiefen des Stickstoffes eine hervorragende Glättung der Oberfläche bzw. ausgezeichnete tribologische Eigenschaften beobachtet werden können. Der Strahlhomogenisator kann z. B. ein Facettenspiegel, durch Multireflektion (Mikrolinsenarray) oder durch eine geeignete Faseroptik bzw. Glasfaser gebildet sein, wobei dieser Strahlenhomogenisator zur Verringerung wie derum des Vorrichtungs- und Investitionsaufwandes auf alle verwendeten Wellenlängen ausgelegt und gleichzeitig betreibbar sein soll.

Zur Verstärkung der Nitritausbildung bei einer homogenen Oberflächenstruktur kann der Stickstoffatmosphäre Argon in einem Verhältnis von bis zu 30 % zugesetzt werden.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann entweder einen Nd:YAG-Laser und einen Excimer-Laser aufweisen, die hintereinander geschaltet angeordnet sind, wobei die langwellige Laserstrahlung durch den UV-Laser hindurch appliziert wird.

Ferner ist vorgesehen, einen auf die zumindest zwei verwendeten Wellenlängen optisch ausgelegten Strahlhomogenisator in die Strahlungsapplikation einzuschalten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
1 eine Vorrichtung zur Laserbehandlung der Oberfläche eines Werkstückes aus Gußeisen mit einem Nd-:YAG- und einem Excimer-Laser unter Verwendung eines Strahlhomogenisators;
2 eine Vorrichtung gemäß 1, aber unter Verwendung nur eines Nd:YAG-Lasers und eines Verstärkers, und
3 eine Graphik zur Intensität der applizierten Laserstrahlung im UV- und Infrarot-Bereich über der Zeit.
Gemäß 1 weist die Vorrichtung zur Bearbeitung der Oberfläche 10 eines Werkstückes 12, z. B. der Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses aus einer Al-Si-Legierung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, einen Excimer-Laser 14 zur Applikation einer UV-Laserstrahlung 16 (kurze unterbrochene Linien) und einen Nd:YAG-Laser 18 zur Erzeugung einer langwelligen, insbesonder infraroten Laserstrahlung 20 (fange unterbrochene Linien) auf. Die UV-Wellenlänge kann z. B. 350 nm und die Infrarot-Wellenlänge 1050 nm sein.
In einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform sind die beiden Laser 14, 18 räumlich voneinander getrennt angeordnet, wobei der Laserstrahl 20 des Nd:YAG-Lasers über einen Strahlteiler 22 von seiner zunächst senkrecht (oder auch schräg) zur Strahlrichtung des UV-Laserstrahls 16 ausgesandten Richtung umgelenkt bzw. koaxial gleichgerichtet wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der beiden Laser 14, 18 hintereinander wird der langwellige Laserstrahl 20 durch den Excimer-Laser 14 hindurch koaxial zum kurzwelligen Laserstrahl 16 gekoppelt.
Die Laserstrahlen 16, 20 werden anschließend durch eine nicht näher dargestellte Laseroptik 24 entsprechend ihrer Anwendung ggf. umgelenkt und fokussiert, und treffen schließlich nach Passieren eines Strahlhomogenisators 26, z. B. nach dem Multireflektionsverfahren, auf die Oberfläche 10 des Werkstückes 12 auf.
Gemäß einer weiteren, nicht zur Erfindung gehörenden und in 2 dargestellten Ausführunsform ist nur ein Nd:YAG-Laser 18 vorgesehen, der eine infrarote Grundwellenlänge von z. B. 1050 nm als Laserstrahl 20 emittiert. Dieser Laserstrahl 20 wird über einen ersten Strahlteiler 28 zeitweilig abgelenkt, einem Verstärker 30 mit einer Frequenzvervielfachung in den UV-Bereich von z. B. 350 nm zugeleitet, entsprechend moduliert und über einen zweiten Strahlteiler 32 wieder koaxial in die erste Strahlrichtung eingekoppelt.
Anschließend wird der in zwei Wellenlängen veränderliche Laserstrahl 16, 20 wiederum über die Laseroptik 24 und den Strahlhomogenisator 26 auf die Oberfläche 10 des Werkstückes 12 appliziert.
Eine mögliche Laserapplikation am Werkstück 12 zeigt die 3, wobei die Intensität I der Laserstrahlen 16, 20 über der Zeit t aufgetragen ist. Die Linien 20 bezeichnen die Infrarot-Strahlung geringerer Intensität, z. B. über einen Zeitraum von je 10 μs bei einer Wellenlänge λ von 1050 nm zur lokalen Vorwärmung der Oberfläche 10 des Werkstückes 12 auf z. B. 450°C und die Laserstrahlen 16 z. B. bei 10–60 Pulsen und einer Pulsdauer von 100 μs und einer UV-Wellenlänge von λ 350 nm.
Ausführungsbeispiel:
Ein Zylinderblock oder Zylinderkurbelgehäuse aus dem Werkstoff Al-Si 12 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine wurde zunächst mechanisch bearbeitet, wobei die Zylinderlaufflächen entsprechend gebohrt und schließlich auf Fertigmaß feingespindelt wurden.
Anschließend wurde der Zylinderblock unter Stickstoffumgebung N₂ mit einem Argon-Zusatz von 30 % unter einem Umgebungsdruck von 9 bar einer Laserbehandlung mit einer Vorrichtung gemäß 1 oder 2 unterzogen, wobei die Oberfläche jeweils auf 450°C lokal vorgewärmt (langwellige Strahlung bei pyrometrisch temperaturkontrollierter Laserleistung) und anschließend zur Bildung der Nitritschicht der UV-Strahlung mit einer Energiedichte E von 30 mJ/cm² 16 mal mit einer Pulsdauer von 100 ns belichtet wurde. Dabei bildete sich auf den Zylinderlaufflächen eine Nitritschicht mit einer Diffusionstiefe von 25 μm aus.
Durch die Homogenisierung der Laserstrahlung mittels des Strahlhomogenisators 26 konnte festgestellt werden, daß eine weit wirkungsvollere und tribologisch günstigere Glättung der Oberfläche erzielbar ist, die trotz einer relativ hohen Diffusionstiefe keine weitere mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche erforderlich macht.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen unter Stickstoffatmosphäre mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (16, 20) aus mindestens zwei Wellenlängenbereichen des nahinfraroten oder sichtbaren Spektrums einerseits und des ultravioletten Spektrums andererseits appliziert wird, wobei der Infrarot- oder sichtbare Laserstrahl (20) kontinuierlich oder mit langer Impulsdauer bis zu 100 μs und der UV-Laserstrahl (16) im ns-Bereich betrieben wird und wobei die Laserstrahlung (16, 20) zumindest eines Lasers (14, 18) mit Hilfe eines Strahlhomogensisators (26) homogenisiert wird
Vorrichtung zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen unter Stickstoffatmosphäre mittels Laserstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Excimer-Laser (14) und ein Nd:YAG-Laser (18) in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind und dass der Laserstrahl (20) des Nd:YAG-Lasers (18) durch den Excimer-Laser (14) hindurch auf die Oberfläche (10) des Werkstückes (12) appliziert wird, wobei ein auf die zumindest zwei verwendeten Wellenlängen optisch ausgelegter Strahlhomogenisator (26) in die Strahlapplikation eingeschaltet ist.