DE4133937A1 - Endbearbeitung der kolben- und zylinderlaufflaechen von kolbenmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Endbearbeitung der Laufflächen von Kolben und Zylindern von Kolbenmaschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren. Bei der Bearbeitung dieser Flächen kommt es außer auf die gute Maßhaltigkeit auf eine hohe Oberflächenqualität an, die für die tribologischen Eigenschaften der Gleitpaarung und damit die Leistungs- und Verbrauchsdaten des Motors von wesentlicher Bedeutung sind. Es soll ein von Anfang an möglichst hoher Traganteil der aufeinander gleitenden Flächen erzielt werden, so daß eine Einlaufzeit entfallen kann und gleichbleibend gute Kennwerte über eine hohe Lebensdauer des Motors hinweg erzielt werden.

Welcher Aufwand zur Erzielung einer hohen Oberflächengüte der zusammenwirkenden Reibflächen von Kolben und Zylinder bei Verbrennungsmotoren betrieben wird, zeigt die Betrachtung von z. B. EP 93 941, wonach elektrochemische und mechanische Abtragsverfahren in bestimmtem Verhältnis zueinander angewandt werden, oder die in "Technique Moderne", 78 (1987), 1/2, S. 23-28 von Dekumbis beschriebene Oberflächenbehandlung von Motorzylinderflächen mit CO₂-Lasern.

Ein besonderes Problem, nämlich das der Blechmantel-Bildung, tritt bei als Gußwerkstücke ausgeführten Kolben und Zylindern auf. Bei einer Honberarbeitung solcher Flächen kommt es zur Freilegung von Graphiteinschlüssen, wobei Grate des metallischen Werkstoffs in diese gebogen werden. Solche Grate sind oft nur lose mit dem Grundwerkstoff verbunden und man findet auch völlig abgetrennte Werkstoffpartikel, die nur noch durch Adhäsion an der Werkstückoberfläche haften.

Solche Teilchen werden sich im Betrieb schnell lösen und während der Anfangsphase des Motorbetriebs erhöhte Reibung und Verschleiß verursachen.

Sofern in Graphitlamellen gebogene Grate zunächst noch mit dem Grundwerkstoff verbunden bleiben, kann diese Verbindung mit zunehmendem Verschleiß schwächer werden und es kann zum Abbrechen solcher Teilchen noch lange nach der üblichen Einlaufzeit des Motors kommen. Diese gelangen als schmirgelnd wirkende Partikel in den Ölvorrat im Kurbelgehäuse und sind überdies als Ursache verspäteter Kolbenfresser erkannt worden.

In dem Aufsatz "Bürsthonen" von G. Flores in "Werkstatt und Betrieb" 121 (1988), 12, S. 989 ff. ist im Hinblick auf diese Probleme ein Honen mit einem Bürstwerkzeug beschrieben, welches weitgehend frei von den Nachteilen der Blechmantelbildung sein soll. Jedoch führt auch dieses Verfahren nicht zu einer von vornherein vorhandenen und auf lange Betriebsdauer gleichbleibenden guten Oberflächenpaarung, und zwar auch im Hinblick darauf, daß bei dieser Bearbeitung eine Oberflächenverfestigung nicht stattfindet.

Trotz des teilweise hohen Aufwandes, welcher bei der Endbearbeitung der Laufflächen von Kolben und Zylindern von Verbrennungsmotoren getrieben wird, werden die Laufeigenschaften des Motors und seine Lebensdauer nicht nachhaltig verbessert. In den meisten Fällen ist ein Einlaufen des Motors erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Endbearbeitung der Laufflächen von Kolben und Zylindern von Kolbenmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren aufzuzeigen, welches dem Motor bessere Laufeigenschaften und höhere Lebensdauer verleiht. Ebenso wird ein Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens aufgezeigt. Die neue Endbearbeitung soll einfach durchführbar sein und mit geringem apparativem Aufwand eine hohe Verfestigung der Werkstückoberflächen bei gleichzeitiger erheblicher Rauhigkeitsverminderung gewährleisten, was im Effekt für den Motor eine hohe Leistung bei langer Lebensdauer bedeutet, wobei die günstigen Kennwerte über die Betriebszeit weitgehend erhalten bleiben.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt überraschenderweise durch die Anwendung eines an sich bekannten Prägepolierverfahrens, bei dem ein sphärisch abgerundetes, punktförmig angreifendes Bearbeitungselement an die zu bearbeitende Werkstückoberfläche angedrückt und gleitend über diese bewegt wird.

Das bekannte Prägepolieren geschieht üblicherweise durch ein Oberflächen-Feinwalzen, welches durchgeführt wird als Glattwalzen zum Zwecke der Verminderung der Oberflächenrauhigkeit, als Maßwalzen zur Erzielung genauer Werkstückabmessungen oder als Festwalzen zur Erzielung einer Oberflächenverfestigung zwecks Erhöhung insbesondere der Biegewechselfestigkeit. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam die Verwendung eines abrollenden Bearbeitungselements.

Es ist jedoch auch ein als Diamantglätten bezeichnetes Verfahren zur Oberflächenbearbeitung bekannt, bei dem Werkstückoberflächen in der Weise bearbeitet werden, wie es vorstehend für die Kolbenmaschinenpaarungen von Kolben und Zylindern vorgeschlagen wird. Gemäß dem SU-Erfinderschein 14 44 135 wird die zylindrische Innenfläche eines Werkstücks und gemäß SU-ES 5 58 785 die Außenfläche eines Werkstücks auf diese Weise von einem umlaufenden Bearbeitungselement bearbeitet. SU-ES 9 84 835 zeigt, wie die zylindrische Innenfläche eines Gehäuses mittels eines Werkzeugkopfs mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Diamant-Bearbeitungselementen bearbeitet wird. In "Mainostroitel'" Nr. 8, 1988, S. 20 ist ein ähnliches Werkzeug zum Glätten der Innenfläche von Hydraulikzylindern beschrieben.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Techniken geht es vorliegend um eine Endbearbeitung der Kolben- und Zylinderlaufflächen von Kolbenmaschinen mittels eines oberflächen-druckverdichtenden Kalottenwerkzeugs, wobei ein Überraschungsmoment darin zu finden ist, daß nicht nur die Oberflächenverfestigung und die Verriegelung der Rauhigkeit schon zur Erzielung der beschriebenen Betriebseigenschaften des Motors zusammenwirken, sondern auch der Blechmanteleffekt praktisch vollständig beseitigt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt eines Werkzeugs zur Endbearbeitung der Laufflächen von Kolben und Zylindern von Kolbenmaschinen;

Fig. 2 den Querschnitt nach Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 schematisch die Oberflächenstruktur nach einer Bearbeitung der vorgeschlagenen Art;

Fig. 4 zum Vergleich eine nach üblicher Bearbeitung sich ergebende Oberflächenstruktur.

Die Betrachtung von zunächst Fig. 4 soll den Blechmanteleffekt illustrieren. Diese Abbildung zeigt die Mikrostruktur der Oberfläche eines Kolbens oder Zylinders bzw. einer Zylinderlaufbüchse aus Sphäroguß nach einer üblichen Honbearbeitung. In die Ränder eines in der Oberfläche liegenden Graphiteinschlusses ragen halbinselartige Grate, die im Laufe der Betriebszeit des Motors abbrechen oder losgerissen werden können. Hierbei kann der Verschleiß eine Rolle spielen, welcher den Zusammenhalt der Grate mit dem übrigen Metallmaterial zunehmend schwächt.

Bei der vorliegend vorgeschlagenen Bearbeitung wird in Abkehr von den bisherigen Vorstellungen ein punktförmig angreifendes Bearbeitungselement mit sphärisch abgerundeter Arbeitsfläche gleitend über die zu bearbeitende Werkstückoberfläche bewegt. Die dabei auftretenden Kraftwirkungen und dadurch erzielten Verformungen sind von einer solchen Durcharbeitung der Oberflächenschicht des Werkstoffs begleitet, daß eine hohe Oberflächengüte großer Festigkeit erzielt wird, die darüber hinaus ihre Eigenschaften auch bei späteren wechselnden Reibungsbeanspruchungen stabil beibehält.

Für die Laufflächen von Kolbenmotorzylindern oder Zylinderlaufbüchsen bedeutet dies, daß sofort ein höherer Traganteil der Lauffläche erzielt wird und nicht erst durch Einlaufen des Motors hergestellt werden muß. Die anfängliche hohe Kompression des Motors bleibt lange erhalten; ebenso kommt es weit weniger zum üblichen Ansteigen des Ölverbrauchs mit zunehmender Betriebszeit des Motors. Daß eine Einlaufphase entbehrlich wird und die mit dieser verbundene Periode höherer Reibung und Verschleißes entfällt, war nicht von vornherein zu erwarten und kann als zusätzlicher positiver Effekt gewertet werden.

Zum Vergleich mit Fig. 4 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wie die Struktur einer erfindungsgemäß bearbeiteten Kolben- oder Zylinderoberfläche sich darstellt. Die den Blechmanteleffekt ausmachenden typischen Gratbildungen an den Rändern der Graphiteinschlüsse sind nicht mehr vorhanden und es ist eine insgesamt bessere Oberflächengüte erzielt. Etwa vorstehende und nur schwach mit dem Grundmetall verankerte Grate sind durch die Bearbeitung verquetscht worden. Die Rauhigkeit ist von dem aus der vorangegangenen Bearbeitung resultierenden Wert von ca. Ra=10 µm auf Ra<1 µm gesenkt worden. Die Kraftverformung der Oberflächenschicht führt zu einer höheren Festigkeit derselben.

Die Beschreibung des Werkzeugs zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß Fig. 1 und 2 gibt weitere Erläuterungen der Erfindung.

Das Werkzeug besteht aus einem Gehäuse 1, in dem fünf radial gerichtete Schlitze ausgearbeitet sind, in welchen Backen 2 gleitend sitzen, die mittels eines zentralen Spreizdorns 3 in Radialrichtung vorschiebbar sind. Zu diesem Zweck hat der Spreizdorn drei Kegelstumpfabschnitte, welche mit entsprechenden Innenflächen der Backen derart zusammenwirken, daß eine axiale Verschiebung des Spreizdorns in eine radiale Auswärtsbewegung der Backen umgesetzt wird.

Etwa in der Mitte der Außenfläche jeder Backe 2 sitzt in einer Ausnehmung ein Bearbeitungselement 4 in Form eines Diamanten mit sphärisch abgerundeter Arbeitsfläche, die zur zu bearbeitenden Innenfläche des hohlzylindrischen Werkstücks 6, einer Zylinderlaufbüchse, gewandt ist. Der Bearbeitungsdiamant 4 ist in einer Stirnausnehmung eines Bearbeitungselementträgers 5 unter Vakuum eingelötet.

In Längsrichtung vor und hinter jedem Bearbeitungselement 4 sind auf der Außenfläche jeder Backe 2 Führungsleisten 7, 7′ angeordnet, welche das gesamte Werkzeug präzise zentrieren und den Kraftangriff der Bearbeitungsdiamanten 4 genau definieren.

Im allgemeinen wird der Bearbeitungselementträger 5 starr in seiner Ausnehmung im Backen derart sitzen, daß die Kuppe des Bearbeitungsdiamanten 4 um den vorgesehenen Betrag über das Niveau der Oberflächen der in Vorschubrichtung vorderen Führungsleisten 7 vorsteht, wobei mit diesem Betrag die Durcharbeitungstiefe der Oberflächenschicht und die zu erzielenden Abmessungen vorgegeben werden. Diese sind dann weitgehend unabhängig von eventuellen Inhomogenitäten der Werkstückoberfläche. Die in Vorschubrichtung hinteren Führungsleisten 7′ stehen auf der gleichen Radialposition wie die Bearbeitungsdiamanten 4, so daß die Backen 2 präzise von sowohl der noch vor der Endbearbeitung stehenden als auch der fertigbearbeiteten Werkstückoberfläche beidseits des Bearbeitungsangriffs geführt werden.

Es ist auch möglich, die Bearbeitungsintensität dadurch veränderlich zu machen, daß der Überstand jedes Bearbeitungselementträgers mittels einer nur schematisch angedeuteten Einstellschraube 8 einstellbar ist. Gegebenenfalls können dabei auch die hinteren Führungsleisten 7′ durch diese oder eine eigene Einstellvorrichtung verstellbar sein.

Bei ausreichend homogener Struktur und Eigenschaften der Oberflächenschicht des Werkstücks kann der Bearbeitungselementträger auch federbeaufschlagt in seiner Ausnehmung sitzen, was die Gefahr von Bruch und anderen Bearbeitungsstörungen verringert.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Werkzeugs mit den beidseitig des Bearbeitungselements angeordneten Führungsleisten gewährleistet dessen hohe Stabilität während der Bearbeitung sowie die Dämpfung von eventuell auftretenden Schwingungen. Durch die Anordnung von fünf radial spreizbaren Backen, die jeweils ein Bearbeitungselement tragen, ist ein relativ hoher Vorschub möglich, so daß die Bearbeitungszeit gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich verringert werden kann.

Sofern die Bearbeitungselementträger 5 einstellbar sind, wird vor Beginn einer Bearbeitung der radiale Überstand der Kuppen der Bearbeitungsdiamanten 4 über die Radialposition der vorderen Führungsleisten 7 unter Berücksichtigung der zu erwartenden bleibenden Verformung eingestellt und kontrolliert, z. B. nach einer optischen Meßmethode. Das Werkzeug wird mit zurückgezogenem Spreizdorn 3 und zusammengefahrenen Backen 2 in das Werkstück 6 eingefahren, bis die vorderen Führungsleisten 7 sich in diesem und die Bearbeitungsdiamanten 4 noch vor ihm befinden. Danach wird der Spreizdorn 3 vorgeschoben, bis die vorderen Führungsleisten 7 zur Anlage an der Werkstückoberfläche kommen. Danach beginnt die Bearbeitung, bei der die schraubenlinienförmigen Bearbeitungsspuren sich ergeben aus der Überlappung der in Umfangsrichtung verlaufenden Bearbeitungsbewegung und der in axialer Längsrichtung verlaufenden Vorschubbewegung.

Es versteht sich, daß bei einer Bearbeitung mit einem oder mehreren individuell lagesteuerbaren Bearbeitungselementen auch komplizierte Werkstückformen einschließlich Hohlkehlen bearbeitet werden können und daß die hierzu notwendigen Bewegungen programmiert sein können, so daß die gesamte Bearbeitung automatisch abläuft.

Claims (8)

1. Verfahren zur Endbearbeitung der Laufflächen von Kolben und Zylindern von Kolbenmaschinen nach einem vorangehenden Drehen oder Drehen und Schleifen, dadurch gekennzeichnet, daß in nur einem weiteren Arbeitsgang ein sphärisch abgerundetes, punktförmig angreifendes Bearbeitungselement (4) in an sich bekannter Weise an die zu bearbeitende Fläche angedrückt und gleitend über diese bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Bearbeitungselementen (4) längs mehrgängig ineinanderliegender Schraubenlinienspuren über die Werkstückoberfläche bewegt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsstelle ein Schmier- und Kühlmittel zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anwendung auf Kolben und Zylinder, die Gußteile sind.

5. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bearbeitungselement (4) in einem Träger (2) gehalten ist, an dem beidseits des Bearbeitungselements (4) je eine sich in Richtung der Mantellinie erstreckende Führungsleiste (7) angeordnet ist.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rotationssymmetrischen Gehäuse (1) auf dem Umfang gleichmäßig verteilte und durch einen zentralen Spreizdorn (3) in Radialrichtung verspreizbare Backen (2) angeordnet sind, deren jede ein Bearbeitungselement (4) und beidseits von diesem je eine Führungsleiste (7) trägt.

7. Werkzeug nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungselement (4) in der Backe (2) federnd nach außen beaufschlagt ist.

8. Werkzeug nach bAnspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungselement (4) in einem Bearbeitungselementträger (5) eingelötet ist und dieser mittels einer Einstellschraube (8) einstellbar in der Backe (2) sitzt.