DE3822169A1 - Verfahren zum freilegen von silizium-kristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Freilegen von Silizium-Kristallen an feinbearbeiteten, vorzugsweise gehonten Oberflächen von Werkstücken aus Siliziumlegierungen, bspw. übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen wie Al Si 17 Cu 4 Mg, bei denen die Silizium-Kristalle in eine weiche Matrix eingebettet sind.

Derartige Verfahren sind bekannt. Man setzt sie z. B. zur Bearbeitung zylindrischer Kolbenlaufbahnen der Motorblöcke von Kraftfahrzeugmotoren ein, um eine Zurücksetzung der Matrix gegenüber den Silizium-Kristallen zu erreichen. Die dann erhabenen Silizium-Kristalle bilden die verschleißfeste Oberfläche, auf der die Kolben oder Kolbenringe laufen, während das durch die Zurücksetzung der Aluminium-Matrix freigewordene Volumen zwischen den Silizium-Kristallen zur Aufnahme von Schmieröl dient. Diese Bearbeitung ermöglicht die Verwendung spezieller Leichtmetall-Werkstoffen beim Bau von Automobilmotoren, um das Verhältnis der Motorleistung zum Fahrzeuggewicht zu optimieren und um damit eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bzw. eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades zu erreichen. Diese Werkstoffe genügen den mechanischen und thermischen Betriebsbeanspruchungen bei niedrigem spezifischem Gewicht ohne Einschränkung. Durch ihre Verwendung lassen sich im Vergleich zu Grauguß-Motorblöcken Gewichtseinsparungen von 45 bis 55% erreichen.

Einer der häufig verwendeten Leichtmetall-Werkstoffe ist die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung Al Si 17 Cu 4 Mg. Sie wird im Niederdruckverfahren vergossen und bildet bei der Erstarrung Silizium-Kristalle, die an der Oberfläche eine hohe Verschleißfestigkeit haben. Die in der Schmelze zuerst erstarrten Kristallkörner (Primär-Siliziumkristalle) haben eine Größe von 30 bis 80 µm. Die Feinbearbeitung erfolgt durch Bohren und Honen. Anschließend werden die Kristalle freigelegt.

Das teilweise Freilegen der Silizium-Kristalle, also der erwünschte Abtrag der weichen metallischen Matrix gegenüber der Oberfläche der harten Silizium-Kristalle soll so weit erfolgen, daß die Matrix 1 bis 1,5 µm zurückgesetzt ist. Man verwendet heute hierzu entweder elektro-chemische oder außenstromlose chemische Ätzverfahren.

Das elektro-chemische Ätzen erfolgt durch anodische Metallauflösung während einer Elektrolyse. Das Werkstück ist dabei anodisch gepolt. Durch den Ätzvorgang wird die Aluminium-Matrix zwischen den Silizium-Kristallen abgetragen. Es zeigt sich aber in der Praxis, daß eine vollständige Zurücksetzung der Aluminium-Matrix nur selten erreicht wird. In der Regel entstehen vielmehr einzelne mehr oder weniger dicht beieinander liegende Krater, so daß das gewünschte Aufnahmevolumen für Schmieröl nur unvollständig und ungleichmäßig verteilt erreicht wird.

Beim außenstromlosen chemischen Ätzen wird das Werkstück ohne Stromzuführung von außen in ein Bad mit alkalischer Lösung eingetaucht. Dabei geht Aluminium in Lösung. Die Einordnung des abzutragenden Werkstoffes in der elektro-chemischen Spannungsreihe ist von ausschlaggebender Bedeutung.

Sowohl das elektro-chemische Ätzen als auch das chemische Ätzen erfordern in der Serienfertigung ein hohes Maß an ingenieurmäßiger Betreuung, da nur durch eine aufmerksame Überwachung des Prozesses zufriedenstellende Arbeitsergebnisse erreicht werden können. Der Anlagenwert ist außerordentlich hoch. Es entstehen darüber hinaus Probleme bei der Entsorgung der verbrauchten Reinigungsflüssigkeiten, Ätzmittel und Elektrolyten. Dadurch sind die Verfahren mit sehr hohen ständigen Betriebskosten beaufschlagt. Es ist eine ständige Kontrolle des pH-Wertes erforderlich. Die Flüssigkeiten müssen in einem Anschwemmfilter gereinigt werden. Das Filtrat ist im wesentlichen Aluminiumhydroxid, das hoch toxisch ist und daher als Sondermüll entsorgt werden muß. Die Taktzeit beträgt bis zu 4 Minuten. Die Vorgänge sind nur mit großem Aufwand automatisierbar.

Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein leicht automatisierbares Verfahren bei erheblicher Kostensenkung geschaffen wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Werkstückes anschließend an die Feinbearbeitung mit einer Bürste bearbeitet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung schafft also im Gegensatz zu den bekannten chemischen Ätzverfahren ein spanendes Verfahren. Dabei macht man sich die im Werkstoff örtlich sehr unterschiedlichen Härten der Silizium-Kristalle und der Aluminium-Matrix und die damit verbundenen verschiedenen Zerspanungseigenschaften dieser beiden Werkstoffe zunutze. Durch die Verwendung eines Bürstenwerkzeuges wird im Bereich der Matrix Werkstoff abgetragen. Aufgrund der ca. 20mal größeren Härte der Silizium-Kristalle findet eine Abarbeitung der Silizium-Kristalle nicht statt. Durch eine definierte Vorspannung der Borsten ist eine Anlage an die momentane Topographie der bearbeiteten Oberfläche möglich. Die Borstenenden folgen den entstandenen Vertiefungen zwischen den Kristallen und tragen Aluminium-Werkstoff ab. Dabei wird auch Werkstoff der Matrix abgetragen, der vom Honprozeß auf die angeschnittenen Kristallflächen überschmiert wird und dadurch deren Funktion beeinträchtigt.

Das Bürsten erfolgt mit einem relativ einfachen Bürstwerkzeug ohne Handhabung von ätzenden Flüssigkeiten. Versuche haben ergeben, daß die Kosten für die Bearbeitung von Zylinderbohrungen bei einem V 8-Motor bei gleicher Qualität der Oberfläche etwa auf ¹/₄ gesenkt werden können. Das Verfahren ist auch vollständig automatisierbar. Entsprechende Maschinen, einschließlich entsprechender Steuerungen, sind aus der Hontechnik an sich bekannt.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar

Fig. 1a und 1b schematisch die Lage von Silizium-Kristallen in einer Aluminium-Matrix vor und nach dem Bürsten;

Fig. 2 ein Bürstwerkzeug zur Ausführung des Verfahrens;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine fotografische Aufnahme einer bei einem Bürstwerkzeug gemäß Fig. 2 und 3 eingesetzten Borste;

Fig. 5(a), (b), (c) Funktionsdiagramme des Bearbeitungsablaufs;

Fig. 6 eine fotografische Aufnahme der durch das Bürsten bearbeiteten Oberfläche.

Fig. 1a zeigt die Oberfläche einer Silizium-Aluminium-Legierung nach einer Feinbearbeitung, bspw. nach dem Honen, wobei Silizium-Kristalle 1 in eine Aluminium-Matrix 2 eingebettet sind. Fig. 1b zeigt den gewünschten Zustand, bei dem die Aluminium-Matrix 2 nach der Bearbeitung gegenüber der durch die Silizium-Kristalle gebildeten Auflagefläche um einen Betrag h zurückgesetzt sind. Bei einer derartigen Oberfläche kann es sich z. B. um zylindrische Kolbenlaufbahnen in einem Motorblock handeln. Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Bürstwerkzeug 3 ist für diesen Anwendungsfall geeignet.

Das Bürstwerkzeug 3 weist Bürstleisten 4 auf, die durch einen im Querschnitt T-förmig ausgebildeten Träger 5 und eine Vielzahl darauf angebrachter Borsten 6 bestehen. Die senkrecht stehenden Balken 7 der T-Form des Querschnittes der Träger 5 haben eine achsparallele Kante 7′ und eine dazu schräg verlaufende Kante 7′′. Eine Bürstleiste 4 bzw. ein Träger 5 hat in Achsrichtung zwei derartige Balken 7. Die Kanten 7′ und 7′′ wirken mit einem Aufweitkörper 8 zusammen, der zwei konische Bereiche 9 aufweist, in denen jeweils Nuten 10 vorgesehen sind, die die Balken 7 der Träger 5 derart aufnehmen und führen, daß die schrägen Kanten 7′ der Balken 7 auf dem Grund der Nuten 10 gleiten. Die radiale Aufweitung der Bürstleisten 4 erfolgt durch axiale Verschiebung des Aufweitkörpers 8. Die Bürstleisten 4 werden durch Federn 11 und 12 in radialer Richtung zusammengehalten. Sie sind von einer Manschette 13 umgeben, die auf der Vorderseite mit einem Deckel 14 verschraubt ist und Schlitze 15 aufweist, durch die hindurch sich die Enden der Borsten der Bürstleisten erstrecken. Die Manschette 13 umgreift einen Flansch 16 des Werkzeugkörpers 17 und ist mit diesem verschraubt. Der Werkzeugkörper ist mittels Bolzen 18 mit der Hülse 19 fest verbunden. Im Werkzeugkörper 17 ist mittels eines Seegerringes 20 eine Scheibe 21 angeordnet. Ferner ist der Aufweitkörper 8 fest mit dem stabförmigen zylindrischen Fortsatz 22 verbunden, der ebenfalls einen Seegerring 23 trägt. Zwischen der Scheibe 21 und dem Seegerring 23 ist eine Feder 24 wirksam, die den Fortsatz 22 und mit ihm den Aufweitkörper 8 nach links in die Lage zieht, die der geringsten radialen Aufweitung der Bürstleisten 4 entspricht. Eine Aufweitung erfolgt, wenn der Aufweitkörper 8 nach rechts geschoben wird. Dies erfolgt durch einen Druckbolzen 25, der in der Hülse 19 verschiebbar aufgenommen ist und gleichzeitig über einen quer angeordneten Bolzen 26, der sich durch Schlitze 27 in der Hülse 19 hindurcherstreckt, mit einer Gewindehülse 28 verbunden ist. Diese sitzt mittels eines Gewindes 29 außen auf der Hülse 19. Eine Drehung der Gewindehülse 28 am Gewinde 29 an der Hülse 19 bewirkt eine axiale Verschiebung des Druckbolzens 25 und damit über Fortsatz 22, Aufweitkörpers 8 und eine radiale Verschiebung der Bürstleisten 4. Mit der Hülse 19 ist ein Einspannschaft 30 verbunden, der zur Einspannung in die drehangetriebene und einem bestimmten Vorschub entsprechend in axialer Richtung verschiebbare Spindel einer Maschineneinheit dient.

Bei dem dargestellten Bürstwerkzeug erfolgt die Zustellung der Leisten in radialer Richtung manuell, d. h. durch Verdrehen der Gewindehülse. Für die Serienfertigung wird man entsprechend anders ausgebildete Werkzeuge nehmen, die nicht manuell über eine Gewindehülse, sondern mittels einer im Inneren des Einspannschaftes 30 verlaufenden Betätigungsstange einen Schrittmotor trittweise verstellbar sind. Eine nähere Beschreibung einer derartigen Vorrichtung ist jedoch im vorliegenden Zusammenhange nicht notwendig, denn derartige Zustelleinrichtungen sind bei Honmaschinen zur radialen Aufweitung von Honwerkzeugen dem Fachmann bekannt. Das gilt im Prinzip auch für Werkzeuge der beschriebenen Art, wenngleich die Konizität des Aufweitkörpers 8 im vorliegenden Fall sehr viel größer als bei üblichen Honwerkzeugen ist, da die Abnützung der Borsten schneller vor sich geht und demgemäß größere Zustellwege erforderlich sind. Da beim Bürsten mit wesentlich höheren Umfangsgeschwindigkeiten gearbeitet wird, ist der Werkzeugkörper ausgewuchtet.

Fig. 4 zeigt eine stark vergrößerte Aufnahme einer einzelnen Borste 6. In ein Trägermaterial aus Polyamid sind Schneidkörner eingelagert. Die Schneidkörner 31 können bspw. aus Diamant, Korund, Siliziumkarbid, Borkarbid oder CBN (Cubisches Bohrnitrid) bestehen. Die Korngrößen liegen im Bereich 60 bis 800 mesh. Der Durchmesser einer einzelnen Borste sollte so ausgelegt sein, daß er nicht größer ist als der mittlere Abstand der Silizium-Kristalle 1 voneinander auf der zu bearbeitenden Oberfläche. Bei dem obengenannten Werkstoff Al Si 17 Cu 4 Mg befinden sich auf z. B. 1 cm² ca. 14 000 Silizium-Kristalle der Korngröße 30 bis 50 µm und ca. 3100 Kristalle der Korngröße 40 bis 80 µm. Der sich hieraus ergebende Mindestkristallabstand an der Oberfläche beträgt ca. 0,030 bis 0,050 mm. Der Borstendurchmesser sollte daher entsprechend kleiner gewählt werden, hängt jedoch von dem Abstand der Kristalle ab. Wichtig ist, daß die Borsten die Bereiche der Matrix zwischen den Silizium-Kristallen direkt erreichen und dort Material abtragen können.

Zur Einstellung der Schneidfähigkeit ist eine sorgfältige Auswahl des Schmierstoffes notwendig, so auch für dessen Fettgehalt, der die Reibung zwischen den Borstenenden und der Matrix und damit das Schneidverhalten der Borsten der Schneidkörner an den Borsten bestimmt. In der Praxis hat sich ein wasserlöslicher Kühlschmierstoff mit niedrigem Fettanteil bewährt. Die Reibung von Schneidkorn und Werkstoff kann dabei so eingestellt werden, daß sich genau der geforderte Werkstoffabtrag von 1 bis 1,5 µm im Bereich der Matrix 2 ergibt.

Einen wichtigen Einfluß auf das Arbeitsergebnis hat auch die Vorspannung der Bürsten. Das Werkzeug wird erst in der Bohrung, deren Innenfläche gebürstet werden soll, aufgeweitet. Mit Erreichen eines konstanten Aufweitmaßes setzt die Drehbewegung ein. Um das Werkzeug zu expandieren, erfolgt - bei Verwendung eines Werkzeuges nach Fig. 2 und 3 - eine definierte Verstellung der Gewindehülse 28, die in der Serienfertigung - wie beschrieben - durch einen Schrittmotor getriebenes Zustellsystem ersetzt wird. Es muß auf jeden Fall sichergestellt sein, daß das Werkzeug bei jedem Arbeitszyklus auf den gleichen Aufweitdurchmesser expandiert wird und somit mit konstanter Borstenvorspannung arbeitet. Um einen Verschleiß der Borsten und des Besatzmaterials zu kompensieren, wird in der Serienfertigung nach einer empirisch zu ermittelnden Stückzahl das Werkzeug um ein bestimmtes Maß, das dem erfolgten Verschleiß entspricht, stärker aufgeweitet. Dies erfolgt bei Verwendung einer Schrittsteuerung durch zusätzliche Zustellimpulse.

Dabei hat sich herausgestellt, daß die Borstenvorspannung zweckmäßigerweise zwischen 0,5 und 2 mm im Durchmesser beträgt, d. h. daß die Borsten auf einen Durchmesser von Borstenende zu Borstenende aufgeweitet werden, der ohne Anliegen an einer Bohrung um den genannten Betrag größer ist als der Durchmesser der Bohrung.

Fig. 5 zeigt das Funktionsdiagramm für den Bearbeitungsvorgang. In Fig. 5(a) ist die axiale Lage 1 des Werkzeuges über der Zeit t aufgetragen. 1 H ist die Hublänge. Der Punkt a bezeichnet die obere Endlage. Fig. 5(b) zeigt die Zustellbewegung dr in Abhängigkeit von der Zeit. Daraus ist ersichtlich, daß die Aufweitung des Werkzeuges nach dem Einfahren erfolgt und daß vor dem Ausfahren des Werkzeugs die Bürstenleisten wieder in radialer Richtung zurückgezogen werden. Fig. 5(c) zeigt den Verlauf der Drehbewegung n über der Zeit. Daraus ist durch Vergleich mit Fig. 5(a) und Fig. 5 (b) zu ersehen, daß die Drehbewegung erst nach dem Einfahren und dem Aufweiten des Werkzeuges beginnt. Die Drehrichtung wird nach der Hälfte der Bearbeitungszeit umgekehrt, damit die Silizium-Kristalle von beiden Seiten her angeschnitten werden. Man arbeitet vorzugsweise mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 250 bis 450 m/Min. und mit einem Vorschub mit axialer Richtung von 5 bis 15 m/Min. Die Bearbeitungszeit kann 10 bis 40 Sekunden betragen. Das ergibt 10 bis 20 Doppelhübe.

Fig. 6 zeigt eine fotografische Aufnahme einer bearbeiteten Oberfläche. Es ist deutlich zu sehen, wie die Silizium-Kristalled 1 aus der Aluminium-Matrix 2 hervorstehen, so daß sich das gewünschte Bild ergibt. Es handelt sich dabei um ein Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer gehonten Oberfläche eines Leichtmetall-Motorblocks. Das einheitliche Schnittniveau, auf dem sich die Aluminium-Matrix und das angeflachte Silizium-Kristall befinden, ist klar erkenntlich. Ebenso sind unterschiedliche Rauhigkeiten sichtbar, die sich aufgrund der partiellen Härteunterschiede der beiden Werkstoffe - Silizium und Aluminium - ergeben.

Claims (13)

1. Verfahren zum Freilegen von Silizium-Kristallen an feinbearbeiteten, vorzugsweise gehonten Oberflächen von Werkstücken aus Silizium-Legierungen, bspw. übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen wie Al Si 17 Cu 4 Mg, bei denen die Silizium-Kristalle (1) in eine erheblich weichere Matrix (2) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstückes anschließend an die Feinbearbeitung mit einer Bürste (4 bis 30) bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mit der Bürste bis zu einer Zurücksetzung der Matrix (2) gegenüber der freiliegenden Oberfläche der Silizium-Kristalle (1) um 1 bis 2 µm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bearbeitung von zylindrischen Kolbenlaufbahnen in Motorblöcken die Freilegung der Silizium-Kristalle nach dem Honen durch ein in die Zylinderbohrung eingeführtes drehangetriebenes Bürstwerkzeug erfolgt, das in radialer Richtung zustellbare Bürsten (4, 6) aufweist, wobei die Zustellung unter Berücksichtigung der Abnutzung derart erfolgt, daß eine konstante Bürstenvorspannung gegeben ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenvorspannung ¹/₂ bis 2 mm im Durchmesser beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mit 10 bis 20 Doppelhüben erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste Borsten (6) aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Mindestabstand der Silizium-Kristalle (1) voneinander an der zu bearbeitenden Oberfläche ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten (6) aus Polyamid mit eingelagerten Schneidkörnern (31) aus Korund, Siliziumkarbid, Borkarbid, Diamant oder cubischem Bornitrid (CBN) ausgebildet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Schneidkörner (31) 60 bis 800 mesh beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung unter Verwendung eines Kühlschmierstoffes mit niedrigem Fettanteil, der auf die erwünschte Abtragsleistung von 1 bis 2 µm eingestellt ist, erfolgt.

10. Verfahren unter Verwendung eines drehangetriebenen Bürstenwerkzeuges, gekennzeichnet durch eine Umfangsgeschwindigkeit von 250 bis 450 m/Min.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Vorschub des Bürstenwerkzeuges in axialer Richtung von 5 bis 15 m/Min.

12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungszeit 10 bis 40 Sekunden beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Bürstwerkzeuges (3) nach der Hälfte der Bearbeitungszeit umgedreht wird.