DE202005011772U1

DE202005011772U1 - Laser-Honwerkzeug zum Erzeugen einer durch Mikrotaschen gebildeten Struktur auf einer tribologisch beanspruchten Fläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE202005011772U1
Application number: DE202005011772U
Authority: DE
Original assignee: Gehring GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2015-07-28

Abstract

Laser-Honwerkzeug zum Erzeugen einer durch Mikrotaschen (6) gebildeten Struktur auf einer tribologisch beanspruchten Fläche (3) eines Werkstücks (1) mit:
(a) Mitteln (78) zum Anschließen des unten offenen hohlen Endes (9) einer Spindel (10) an einen Werkzeugkörper (5) des Laser-Honwerkzeugs und zum Einleiten des Laserstrahls (15) in den Innenraum (16) des Werkzeugkörpers (5);
(b) Mitteln (17) zum Fokussieren des Laserstrahls (15);
(c) Mitteln (18, 18') zur Umlenkung des Laserstrahls (15) um etwa 90°;
(d) einem auswechselbaren Laserstrahlaustrittsmodul (30), in den der Laserstrahl (15) durch ein Schutzglas (31) hindurch eingeleitet wird und aus dem er durch eine Öffnung (32) wieder austritt, wobei zwischen dem Schutzglas (31) und der Öffnung (32) ein Raum (35) ausgebildet ist, dem über eine Leitung (40) ein Gas zugeführt wird, das aus dem Raum (35) durch die Öffnung (31) wieder ausströmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Honwerkzeug zum Erzeugen einer durch Mikrotaschen gebildeten Struktur auf einer tribologisch beanspruchten Fläche eines Werkstücks.
Eine derartige Fläche ist beispielsweise die zylindrische Lauffläche einer Bohrung im Motorblock einer Brennkraftmaschine. Die Mikrotaschen dienen zur Aufnahme eines Schmiermittels, insbesondere im Bereich des oberen und des unteren Totpunktes des Kolbens der Brennkraftmaschine.

Laser-Honwerkzeuge mit Mitteln zur Einleitung, Fokussierung und Umlenkung eines Laserstrahls sind bekannt ( EP 0 565 742 B1 ; DE 43 16 012 C2 ; DE 295 06 005 U ; EP 1 275 864 B1 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Laser-Honwerkzeuge weiter zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruches 1 gelöst. Die Erfindung betrifft ferner verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es stellen dar:
1 ein Ausführungsbeispiel;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel;
3 ein im Anschluss an die Bearbeitung mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 eingesetztes Entgrat- und Feinhonwerkzeug.
1 zeigt ein Werkstück 1 mit einer Bohrung 2, die eine zylindrische Innenfläche 3 aufweist. In diese Innenfläche 3 werden mit Hilfe eines Laserstrahls 15 Mikrotaschen 6 eingebracht, die bei einer tribologischen Beanspruchung (Beanspruchung durch Reibung) der Innenfläche 3, zum Beispiel der Zylinderbohrung im Motorblock einer Brennkraftmaschine, Schmiermittel aufnehmen.
Das Laser-Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper 5, der mit Schrauben 7 an einem Flansch 8 der hohlen und nach unten offenen Spindel 10 einer Honmaschine befestigt ist. Die Spindel ist auf und ab bewegbar und drehbar.
Der Laserstrahl 15 wird mit bekannten Mitteln erzeugt und oben (nicht gezeigt) in den hohlen Innenraum 11 der Spindel 10 eingeführt. Er tritt dann aus der Öffnung 9 am unteren Ende der Spindel 10 in den Innenraum 16 des Werkzeugkörpers 5 ein und wird durch eine Fokussieroptik 17 derart fokussiert, dass er nach Umlenkung am Umlenkspiegel 18' einer Umlenkeinrichtung 18 beim Auftreffen auf die Innenfläche 3 des Werkstückes 1 den Punkt P bildet. Wird dann die Spindel 10 um ihre Achse A um einen bestimmten Winkel gedreht, entsteht eine Mikrotasche 6.
Die Fokussieroptik 17 befindet sich in einer Hülse 20, die im Werkzeugkörper axial verschiebbar, jedoch nicht drehbar angeordnet ist. Dies ist dadurch gegeben, dass ein an ihr fest angeordneter Stift 23 in einem in axialer Richtung verlaufenden Schlitz 22 geführt ist. Die Fokussierung erfolgt durch Drehung eines Einstellringes 19, der auf dem Werkzeugkörper 5 drehbar, aber axial nicht verschiebbar angeordnet ist. Im Inneren ist der Einstellring 19 mit einer rechteckigen, spiralförmigen und somit wie ein Gewinde gegenüber der Achse A schräg verlaufenden Nut 21 versehen, in die der Stift 23 eingreift. Da dieser fest mit der Hülse 20 verbunden ist, erfolgt bei Drehung des Einstellringes 19 eine axiale Verschiebung des Stiftes 23 und somit auch der mit ihm verbundenen Hülse 20 mit der Fokussieroptik 17.
Nach der Umlenkung am Umlenkspiegel 18' durchläuft der Laserstrahl 15 ein Laseraustrittsmodul 30, in dem ein Schutzglas 31 angeordnet ist. Dieses dient dazu, eine Verunreinigung des Innenraums 16 durch Partikel, die bei der Einwirkung des Laserstrahls 15 auf die Innenfläche 3 abgetragen werden und von der Innenfläche 3 wegspritzen, zu verhindern. Der Laserstrahl 15 tritt aus dem Laseraustrittsmodul 30 durch die Öffnung 32 aus. Der Durchmesser der Öffnung 32 sollte so klein wie möglich, jedoch größer als der Strahldurchmesser an dieser Stelle sein, um so auch dazu beizutragen, dass keine Partikel in den Raum 35 zwischen Schutzglas 31 und Öffnung 32 eintreten können.
Eine weitere Maßnahme zur Sauberhaltung der der Öffnung 32 zugewandten Oberfläche des Schutzglases 31 besteht darin, dass dem Raum 35 zwischen Schutzglas 31 und Öffnung 32 über eine Leitung 40 ein unter Druck stehendes Gas zugeführt wird, das dann durch die Öffnung 32 aus dem Raum 35 wieder austritt, so dass diese Strömung ebenfalls auf der der Innenfläche 3 zugewandten Seite des Schutzglases 31 ein Eindringen von der Innenfläche 3 durch die Lasereinwirkung abgesprengter Partikel in den Raum 35 verhindert.
Die Verstellung des Einstellringes 19 kann entweder von Hand oder durch eine NC-Steuerung auf verschiedene Durchmesser der Bohrung 2 erfolgen.
Die Umlenkeinrichtung 18 weist beispielsweise, wie gezeigt, einen Umlenkspiegel 18' auf, der das Laserlicht reflektiert. Sie kann aber auch als Prisma ausgelegt sein, so dass der Laserstrahl 15 aufgrund der Gesetze der Totalreflexion umgelenkt wird.
Die Umlenkeinrichtung 18 ist justierbar ausgeführt, u. a. dadurch, dass der Umlenkspiegel 18' um die senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse B geschwenkt werden kann. Ferner ist die Umlenkeinrichtung einschließlich der Achse B auf dem Sockel 25 um die Achse A drehbar.
Durch Abweichungen bei der Justierung des Laserstrahls 15 können sich Änderungen bezüglich des Umlenkwinkels gegenüber exakt 90° und des Durchmesser des Laserstrahls beim Durchtritt durch die Öffnung 32 ergeben. Ist der Laserstrahl 15 beispielsweise nicht exakt mittig zum Werkzeugkörper 5 justiert, so wandert er bei Drehung des Werkzeugkörpers 5 auf und ab. Bei einer schrägen Anordnung wie bei dem lediglich schematisch in 2 angedeuteten Ausführungsbeispiel treten weitere Abweichungen auf.
Falls trotz der getroffenen Maßnahmen das Schutzglas 31 verschmutzt ist, kann der Laseraustrittsmodul 30 besonders einfach ausgetauscht werden. Diese schnelle und justagefreie Wechselmöglichkeit verringert die Stillstandszeiten in der Produktion.
Das Laser-Honwerkzeug 5 wird vorzugsweise im Zentrum der Bohrung 2 so positioniert, dass es um die Achse A drehbar ist. Dadurch bleibt der Abstand zwischen Fokussieroptik 17 und der Innenfläche 3 und damit die Ebene der Fokussierung, in der der Punkt P liegt, konstant.
Man kann das Laser-Honwerkzeug auch exzentrisch zur Achse der Bohrung 2 positionieren und drehen. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen der Innenfläche 3 und dem Laser-Honwerkzeug vergrößert. Hierzu muss dann allerdings das Laser-Honwerkzeug 5 gleichzeitig auf einer Kreisbahn geführt werden. Alternativ ist es auch möglich, das Werkstück 1 um das Laser-Honwerkzeug 5 rotieren zu lassen.
Bei einer Ausführungsform, wie sie in 2 gezeigt ist, wird der Laserstrahl 15 schräg von außen oben in die Bohrung 2 eingeführt. Dabei ist dann das Laser-Honwerkzeug außerhalb der Bohrung 2 positioniert. Eine Umlenkung des Laserstrahls 15, wie in 1 gezeigt, erfolgt dann nicht.
Die Bearbeitung geht derart vor sich, dass eine Bohrung 2 zunächst in üblicher Weise vorgehont wird. Dann wird mit dem beschriebenen Laser-Honwerkzeug die durch Mikrotaschen 6 gebildete Struktur eingebracht. Anschließend wird die Innenfläche 3 in einem weiteren Arbeitsgang entgratet, also von den Graten an den Rändern der Mikrotaschen 6 befreit, und dann fertiggehont.
Die Entgratung und das Fertighonen kann mittels eines einzigen Entgrat- und Honwerkzeuges erfolgen, das als Doppelaufweitwerkzeug nach 3 ausgebildet ist. Es weist einen Werkzeugkörper 51 auf, der mit radialen Schlitzen versehen ist, in die – abwechselnd – erste Honleisten 52 mit kurzen Schneidbelägen 60 zum Entgraten und zweite Honleisten 53 mit langen Schneidbelägen 61 zum Fertighonen angeordnet sind. Die kurzen Honleisten 52 dienen zum Entgraten der Ränder der Mikrotaschen 6 im Bereich in Nähe des oberen Totpunktes eines Kolbens, der in einer Bohrung 2 einer Brennkraftmaschine auf und ab bewegbar angeordnet wird. Die kurzen Honleisten 52 dienen zum Entgraten der Ränder der Mikrotaschen 6. Dazu sind nur kurze Honleisten erforderlich, wenn zum Beispiel Mikrotaschen nur im oberen Bereich (in Nähe des oberen Totpunktes eines Kolbens) an der Innenfläche 3 angebracht worden sind.
Verschiebt man die Aufweitstange 54, an der konische Flächen 54' vorgesehen sind, die mit konischen Flächen 52' an den Honleisten 52 zusammenwirken, so werden die Honleisten 52 radial nach außen geschoben. Es kann entgratet werden. Verschiebt man hingegen die Aufweitstange 55, die mit konischen Aufweitflächen 55' versehen ist, die mit den konischen Flächen 53' an den zweiten Honleisten 53 zusammenwirken, so werden die zweiten Honleisten 53 radial nach außen verschoben. Es wird fertiggehont. Bei Aufwärtsbewegung der Aufweitstangen 54 beziehungsweise 55 werden die Honleisten 52 beziehungsweise 53 durch Rückholfedern 56 radial einwärts gezogen.

1: Werkstück
2: Bohrung
3: zylindrische Innenfläche von 2
5: Werkzeugkörper
6: Mikrotasche in 3
7: Schrauben
8: Flansch
9: Öffnung am unteren Ende von 10
10: Spindel
11: Innenraum von 10
15: Laserstrahl
16: Innenraum von 5
17: Fokussieroptik
18: Umlenkeinrichtung
18': Umlenkspiegel
19: Einstellring
20: Hülse
21: Hut
22: Schlitz in 5
23: Stift
25: Sockel
30: Laseraustrittsmodul
31: Schutzglas
32: Öffnung
35: Raum zwischen 31 und 32
40: Leitung
50: Werkzeug zum Entgraten und Fertighonen
51: Werkzeugkörper von 50
52: erste Honleisten (kurz)
52': konische Flächen an 52
53: zweite Honleisten (lang)
53': konische Flächen an 53
54: Aufweitstange für 52
54': konische Flächen an 54
55: Aufweitstange für 53
55': konische Flächen an 55
56: Rückholfeder
60: Schneidbelag (kurz) an 52
61: Schneidbelag (lang) an 53

Claims

Laser-Honwerkzeug zum Erzeugen einer durch Mikrotaschen (6) gebildeten Struktur auf einer tribologisch beanspruchten Fläche (3) eines Werkstücks (1) mit: (a) Mitteln (78) zum Anschließen des unten offenen hohlen Endes (9) einer Spindel (10) an einen Werkzeugkörper (5) des Laser-Honwerkzeugs und zum Einleiten des Laserstrahls (15) in den Innenraum (16) des Werkzeugkörpers (5); (b) Mitteln (17) zum Fokussieren des Laserstrahls (15); (c) Mitteln (18, 18') zur Umlenkung des Laserstrahls (15) um etwa 90°; (d) einem auswechselbaren Laserstrahlaustrittsmodul (30), in den der Laserstrahl (15) durch ein Schutzglas (31) hindurch eingeleitet wird und aus dem er durch eine Öffnung (32) wieder austritt, wobei zwischen dem Schutzglas (31) und der Öffnung (32) ein Raum (35) ausgebildet ist, dem über eine Leitung (40) ein Gas zugeführt wird, das aus dem Raum (35) durch die Öffnung (31) wieder ausströmt.
Laser-Honwerkzeug zum Erzeugen einer durch Mikrotaschen (6) gebildeten Struktur auf einer tribologisch beanspruchten Fläche (3) eines Werkstücks (1) mit: (a) Mitteln (78) zum Anschließen des unten offenen hohlen Endes (9) einer Spindel (10) an einen Werkzeugkörper (5) des Laser-, Honwerkzeugs und zum Einleiten des Laserstrahls (15) in den Innenraum (16) des Werkzeugkörpers (5); (b) Mitteln (17) zum Fokussieren des Laserstrahls (15); (c) einem auswechselbaren Laserstrahlaustrittsmodul (30), in den der Laserstrahl (15) durch ein Schutzglas (31) hindurch eingeleitet wird und aus dem er durch eine Öffnung (31) wieder austritt, wobei zwischen dem Schutzglas (31) und der Öffnung (32) ein Raum (35) ausgebildet ist, dem über eine Leitung (40) ein Gas zugeführt wird, das aus dem Raum (35) durch die Öffnung (31) wieder ausströmt.
Laser-Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (17) im Werkzeugkörper (5) in einer axial verschiebbaren Hülse (20) angeordnet ist, die einen sich durch einen Schlitz (22) im Werkzeugkörper erstreckenden Stift (23) aufweist, der in einer schräg verlaufenden Nut (21) eines die Hülse umgebenden Einstellringes (19) geführt ist.
Laser-Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18) zur Umlenkung des Laserstrahls (15) einen Umlenkspiegel (18') aufweisen, der um eine Achse (B) schwenkbar ist, die senkrecht zur Achse (A) des Laser-Honwerkzeuges verläuft.
Laser-Honwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18) zur Umlenkung des Laserstrahls (15) gegenüber dem Werkzeugkörper (5) verdrehbar sind.
Motorblock (1) einer Brennkraftmaschine mit Mikrotaschen (6) in den tribologisch beanspruchten zylindrischen Innenflächen (3), insbesondere in den Laufflächen der Zylinderbohrungen die durch folgende Maßnahmen erzeugt worden sind: (a) Vorhonen der Innenflächen (3) mit einem an sich bekannten Honwerkzeug; (b) Einbringen der Struktur von Mikrotaschen (6) mittels eines Laser-Honwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1–5; (c) Entgraten der Ränder der Mikrotaschen (6); (d) Fertighonen der Innenfläche (3).