DE4217530C2 - Procedure for machining piston raceways - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbah nen.The invention relates to a method for machining piston runways NEN.
Zylinderblöcke bestehen häufig aus Gußeisen. Beim Honen von Gußei sen, das man wegen der größeren Standzeiten heute ausschließlich mit Diamant oder CBN-Honleisten durchführt, hat sich herausgestellt, dass dabei ein Nachteil auftritt, der sich bei schnell laufenden Motoren immer stärker auswirkt. In den Mikrostrukturen diamantgehonter Kolbenlauf bahnen aus Gußeisen zeigen sich nämlich in der obersten Werkstoff schicht gewisse Verschuppungen, also Grenzschichtverschiebungen, die heute in der Fachwelt als Blechmantel bezeichnet werden. Man kann diese Verschuppungen zwar je nach Anpreßdruck der Honleisten und Weichheit der metallischen Bindung in gewissen Grenzen beeinflussen, sie aber nicht verhindern. Das hat den Nachteil dass sich die Zungen der Schuppen während des Laufens des Motors ablösen und dadurch Kolbenfresser oder brandige Kolbenringe verursachen. Durch die Ver schuppung werden gleichzeitig die angeschnittenen Graphitlamellen des Gusses verquetscht. Die sogenannten Notlaufeigenschaften des Gusses gehen damit verloren, weil die Graphitlamellen abgedeckt sind. Diese Erscheinung führt außerdem zu höheren Reibkräften für die Kolbenbe wegung und damit zu einem höheren Öl- und Kraftstoffverbrauch.Cylinder blocks are often made of cast iron. Honing cast egg that you only use today because of the longer service life Diamond or CBN honing stone, it has been found that there is a disadvantage that always occurs with high-speed engines affects more. Piston barrel honed with diamond in the microstructures Cast iron tracks are shown in the top material stratify certain interlockings, i.e. boundary layer shifts, which are referred to today as a sheet metal jacket in the professional world. One can this scaling depending on the contact pressure of the honing stones and Influence the softness of the metallic bond within certain limits, but do not prevent them. The disadvantage is that the tongues detach the shed while the engine is running and thereby Cause piston seizures or burned piston rings. By ver the cut graphite flakes of the Cast squeezed. The so-called emergency running properties of the cast are lost because the graphite lamellae are covered. This Appearance also leads to higher frictional forces for the piston movement and thus higher oil and fuel consumption.
Aufgrund der großen Vorteile der Diamant- und CBN-Honleisten kann auf diese nicht verzichtet werden. Daher werden die Nachteile der Ver schuppung durch den Einsatz von teueren Chrom-Molybdän-legierten Kolbenringen ausgeglichen.Because of the great advantages of diamond and CBN honing stones these cannot be waived. Therefore, the disadvantages of ver desquamation through the use of expensive chrome-molybdenum alloys Piston rings balanced.
Es ist bereits vorgeschlagen worden (EP 113 915 B1), zur Verbesserung dieses Nachteils nach dem Fertighohnen eine Nachbearbeitung durch Elektroerodieren durchzuführen.It has already been proposed (EP 113 915 B1) for improvement This disadvantage after finishing after finishing Perform electrical discharge machining.
Weiterhin ist es bekannt, zum Schneiden, Schweißen und zum Fräsen Laser einzusetzen. Bei diesem sogenannten "Lasercaving" wird ein CO2- Laser verwendet. Der Anwendungsbereich liegt insbesondere im Werk zeug- und Formenbau. (Industrieanzeiger 84/1989, S. 40).It is also known to use lasers for cutting, welding and milling. A CO 2 laser is used in this so-called "lasercaving". The area of application is particularly in tool and mold making. (Industrieanzeiger 84/1989, pp 40).
Die auf diese Weise behandelten Flächen besitzen eine Rauhigkeit, die größer ist als die Rauhigkeiten nach dem Feinhonen.The surfaces treated in this way have a roughness that is greater than the roughness after fine honing.
Im Aufsatz von BERGMANN "Behandeln mit Laser; Härten und Ver edeln von Oberflächen von Bauteilen mit Laserbestrahlung", Maschi nenmarkt, Würzburg 92 (1986) 43, S. 72 bis 78 wird beschrieben, durch Laserbehandlung einen bestimmten Gefügezustand eines Bauteils ein zustellen, ohne die Oberflächenstruktur zu beeinflussen. Als Behand lungsarten werden unter anderem Umwandlungshärten und Umschmel zen aufgezählt. In the essay by BERGMANN "Treating with laser; hardening and refining surfaces of components with laser radiation", Maschi nenmarkt, Würzburg 92 ( 1986 ) 43, pp. 72 to 78 describes how to set a certain structural state of a component by laser treatment without to influence the surface structure. Types of treatment include transformation hardness and remelting.
Der Aufsatz von AMENDE "Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mit Laser"; Technica 14/15/1988, S. 21 bis 24 befasst sich mit verschiedenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit Laser strahl. Als Verfahrensvarianten werden Härten, Umschmelzen, Auflegie ren und Beschichten beschrieben. Als Beispiel ist die Innenhärtung von Zylinderlaufbuchsen für Großdieselmotoren, die mit dem Einsatz des Lasers erst möglich wurde, erwähnt. Die Oberflächenstruktur der be handelten Oberfläche wird dabei nicht verändert.The essay by AMENDE "Surface treatment of metallic workpieces with laser"; Technica 14/15/1988, pp 21 to 24 is concerned with various jet method for surface treatment by laser. Hardening, remelting, coating and coating are described as process variants. The internal hardening of cylinder liners for large diesel engines, which was only possible with the use of the laser, is mentioned as an example. The surface structure of the treated surface is not changed.
Im Aufsatz von MEHLHORN "Thermische Oberflächenbehandlung mit Hilfe von CO2-Laser", Feingerätetechnik, Berlin 32 (1983), S. 272 bis 276 sind als Verfahren zur Laserwärmebehandlung unter anderem O berflächenhärten und Oberflächenumschmelzen beschrieben.In the essay by MEHLHORN "Thermal surface treatment with the help of CO 2 lasers", Feingerätetechnik, Berlin 32 ( 1983 ), pp. 272 to 276, methods for laser heat treatment include surface hardening and remelting.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dessen Hilfe sich eine genauere Bearbei tung der Oberflächen unter gleichzeitiger Verbesserung der Notlaufei genschaften durchführen lässt, womit die Verschleißfestigkeiten von Mo toren erhöht werden und die Reparaturanfälligkeit verringert werden soll. Darüber hinaus soll ein geringerer Ölverbrauch, kürzere Einlaufzeiten, weni ger Kraftstoffverbrauch und vor allem die Einsatzmöglichkeit von einfacheren und dadurch billigeren Kolbenringen ermög licht werden.The invention has for its object a method of the beginning to create the type mentioned, with the help of which a more precise machining treatment of the surfaces while improving the emergency running properties, with which the wear resistance of Mo gates should be increased and the susceptibility to repairs should be reduced. In addition, lower oil consumption, shorter running-in times, Weni low fuel consumption and above all the possible application made possible by simpler and therefore cheaper piston rings become light.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, nach dem Fertighonen der zu bearbeitenden Oberflächen diese mit Hilfe eines Lasers nochmals zu bearbeiten, der auf die Oberfläche fokussiert und über die Oberfläche hinweggeführt wird. Der Laserstrahl verweilt also nur sehr kurzzeitig auf der zu be arbeitenden Oberfläche, so daß er nur eine Öffnung der ver schuppten Graphitlamellen durchführt, ohne damit einen wirk lichen Abtrag der Oberfläche durchzuführen. Der Laserstrahl dient also nicht zum Abtrag der Oberfläche, sondern zur Ver besserung der Struktur der bereits fertig bearbeiteten Ober fläche und damit zur Lösung der genannte Aufgabe. Gleichzei tig kann unter Umständen eine Verfestigung der Struktur der Oberfläche auftreten.To achieve this object, the invention proposes that Finish honing the surfaces to be machined with the help to process a laser again, which is on the surface focused and guided over the surface. The The laser beam therefore only stays on the for a very short time working surface, so that he only an opening of ver flaking graphite flakes without being effective remove the surface. The laser beam does not serve to remove the surface, but for ver improvement of the structure of the already finished upper surface and thus to solve the stated task. Gleichzei Under certain circumstances, the structure of the Surface occur.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, als Strah lungsquelle einen Excimer-Laser zu verwenden, der bei einer relativ niedrigen Wellenlänge arbeitet und daher eine hohe Energie zur Verfügung stellt.It turned out to be particularly cheap, as a beam source to use an excimer laser, which at a operates at a relatively low wavelength and therefore a high one Provides energy.
Der Laserstrahl wird vorzugsweise in einer kontinuierlichen Bewegung über die Oberfläche geführt. Punkteffekte können durch das bei Excimer-Lasern übliche Pulsen erreicht werden. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, daß der Laserstrahl in einer der Honbewegung ähnlichen Bewegung über die zu bearbeitende Oberfläche geführt wird, also in einer kombi nierten Hub- und Drehbewegung. Auf diese Weise lassen sich die vorhandenen Honmaschinen zum Antrieb eines den Laser strahl verwendenden Werkzeugs benutzen.The laser beam is preferably in a continuous Movement over the surface. Point effects can by means of the pulses which are customary in excimer lasers. In particular, the invention proposes that the laser beam in a movement similar to the honing movement processing surface is performed, so in a combi nated lifting and rotating movement. This way the existing honing machines for driving a laser use a blasting tool.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, den Laser punktförmig auf die zu bearbeitende Oberfläche zu fokussieren. Dies kann mit Linsen oder mit Spiegeln getan werden. Diese Möglichkeit ist insbesondere dann vorzuziehen, wenn der Laserstrahl in der erwähnten kombinierten Hub- und Drehbewegung über die Oberfläche geführt wird.According to the invention, the laser can be punctiform to focus on the surface to be processed. This can be done with lenses or with mirrors. This possibility is particularly preferable when the laser beam is in the mentioned combined lifting and rotating movement over the Surface is guided.
Es ist jedoch ebenfalls möglich und wird von der Erfindung vorgeschlagen, den Laser linienförmig auf die zu bearbeiten de Oberfläche zu fokussieren. Dann kann jeweils ein ganzer Bereich überstrichen werden.However, it is also possible and is of the invention proposed to machine the laser in a line shape focus on the surface. Then an entire can Area to be swept.
Erfindungsgemäß kann zur Vereinfachung der Herstellung des Werkzeugs vorgesehen sein, daß der Laser außerhalb des Werk zeugs angeordnet wird und sein Strahl über einen Lichtleiter in das Werkzeug hineingeleitet wird.According to the invention can be used to simplify the manufacture of the Tool should be provided that the laser outside the factory Stuff is arranged and its beam over a light guide is led into the tool.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung er geben sich aus den Patentansprüchen, der folgenden Beschrei bung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:Further features, details and advantages of the invention he are given by the claims, the following description Exercise preferred embodiments of the invention and based on the drawing. Here show:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Ansicht der Bearbeitung mit Hilfe eines punktförmig fokussierten Laserstrahls; Fig. 1 is a greatly simplified view of the processing by means of a point-shaped focussed laser beam;
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, bei der ein linienförmig fokussierter Laserstrahl verwendet wird. Fig. 2 is a representation corresponding to Fig. 1, in which a linearly focused laser beam is used.
Das Werkstück 1 besitzt eine Bohrung 2, die eine zu bearbei tende zylindrische Oberfläche 3 bildet. Nach dem Honen, das hier nicht näher beschrieben wird, wird nun erfindungsgemäß diese Oberfläche mit Hilfe eines Laserstrahls nachbearbeitet. Das zu diesem Zweck dienende Werkzeug 4 enthält einen starren Werkzeugkörper mit einer sich in der Längsachse des Werkzeugs erstreckenden Bohrung 5. Das Werkzeug wird in der gleichen Weise angetrieben wie ein Honwerkzeug, also in einer kombi nierten Hub- und Drehbewegung. The workpiece 1 has a bore 2 which forms a cylindrical surface 3 to be machined. After honing, which is not described in more detail here, this surface is then reworked according to the invention with the aid of a laser beam. The tool 4 used for this purpose contains a rigid tool body with a bore 5 extending in the longitudinal axis of the tool. The tool is driven in the same way as a honing tool, i.e. in a combined lifting and rotating movement.
An seinem unteren Ende enthält das Werkzeug 4 eine Halterung 6 für einen Spiegel 7. Der Spiegel 7 verläuft unter einem Winkel von etwa 45° Grad gegenüber der Längsachse.At its lower end, the tool 4 contains a holder 6 for a mirror 7 . The mirror 7 extends at an angle of approximately 45 ° to the longitudinal axis.
In der Bohrung 5 des Werkzeugs 4 ist ein Lichtleiter 8 ange ordnet, dessen unteres plangeschliffenes Ende 9 kurz vor der Oberfläche des Spiegels 7 endet. Der Spiegel 7 ist so ange ordnet, daß der aus dem Lichtleiter 8 austretende Lichtstrahl insgesamt auf den Spiegel 7 fällt. Als Lichtquelle wird ein Excimer-Laser verwendet, dessen Licht in den Lichtleiter 8 eingekoppelt wird. Der den Lichtleiter 8 an seinem unteren Ende 9 verlassende Laserstrahl wird durch den Spiegel 7 umge lenkt, so daß er etwa rechtwinklig auf die zu bearbeitende Oberfläche 3 fällt. Wird nun das Werkzeug 4 in der beschrie benen Hub- und Drehbewegung angetrieben, so wandert der La serstrahl nach und nach über die gesamte zu bearbeitende Oberfläche 3, so daß er dort die Verschuppungen öffnet.In the bore 5 of the tool 4 , a light guide 8 is arranged, the lower flat end 9 ends just before the surface of the mirror 7 . The mirror 7 is arranged so that the light beam emerging from the light guide 8 falls on the mirror 7 as a whole. An excimer laser is used as the light source, the light of which is coupled into the light guide 8 . The leaving the light guide 8 at its lower end 9 laser beam is deflected by the mirror 7 so that it falls approximately at right angles on the surface 3 to be processed. If the tool 4 is now driven in the described lifting and rotating movement, the laser beam gradually migrates over the entire surface 3 to be machined, so that it opens the scales.
Die Fokussierung des Laserstrahls kann beispielsweise außer halb des Werkzeugs erfolgen, so daß ein ebener Spiegel 7 ausreicht. Es ist jedoch auch möglich, durch den Lichtleiter 8 einen noch parallelen Laserstrahl zu schicken und zur Fo kussierung dieses Laserstrahls auf die Oberfläche einen leicht konkav gekrümmten Spiegel zu verwenden, der die Fokus sierung dann übernimmt.The laser beam can be focused outside of the tool, for example, so that a flat mirror 7 is sufficient. However, it is also possible to send a still parallel laser beam through the light guide 8 and to use a slightly concave mirror to focus this laser beam onto the surface, which then takes over the focus.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, den Laserstrahl in anderer Weise zu fokussieren. Das untere Ende des Lichtleiters 8 erweitert sich in diesem Fall und bildet einen Kopf 10 mit einer kreiszylindrischen Außenfläche 11. In die Unterseite des Kopfes ist ein spiegelnder Konus 12 eingesetzt, dessen Spitze genau in der Drehachse des Werkzeugs 4 liegt und des sen Kegelmantel ebenfalls etwa unter einem Winkel von 45° Grad gegenüber der Längsachse verläuft. Ein durch den Licht leiter 8 nach unten gelangender Lichtstrahl wird aufgrund des Spiegelkegels 12 radial nach außen abgelenkt und tritt durch die Außenfläche 11 des Kopfes 10 radial nach außen aus. Der Laserstrahl verläßt den Lichtleiter also als ein schmales ringförmiges Band, das an einer Stelle über den gesamten Um fang der Bohrung 2 auf der Oberfläche 3 auftrifft. Wiederum ist es möglich, diesen Laserstrahl zu fokussieren, so daß er als fokussierte Linie auf der Oberfläche 3 auftrifft. In die sem Fall reicht es aus, das Werkzeug 4 in einer Hubbewegung zu führen. Natürlich stört auch eine dabei auftretende Dreh bewegung nicht. Der spiegelnde Konus 12 läßt sich durch Ein bringen einer entsprechenden Vertiefung in dem Lichtleiter 8 und durch Verspiegelung der Fläche herstellen, falls das Ma terial des Lichtleiters 8 keine Totalreflexion bei diesem Winkel aufweist. Fig. 2 shows a way to focus the laser beam in a different way. The lower end of the light guide 8 widens in this case and forms a head 10 with a circular cylindrical outer surface 11 . In the underside of the head a reflective cone 12 is inserted, the tip of which lies exactly in the axis of rotation of the tool 4 and the conical surface of the cone likewise extends at an angle of 45 ° to the longitudinal axis. A light beam 8 coming down through the light guide 8 is deflected radially outwards due to the mirror cone 12 and emerges radially outwards through the outer surface 11 of the head 10 . The laser beam leaves the light guide as a narrow ring-shaped band, which begins at one point over the entire order of the bore 2 on the surface 3 . Again, it is possible to focus this laser beam so that it strikes the surface 3 as a focused line. In this case, it is sufficient to guide the tool 4 in one stroke. Of course, any turning movement that occurs does not interfere. The reflective cone 12 can be made by bringing a corresponding recess in the light guide 8 and by mirroring the surface if the material of the light guide 8 Ma has no total reflection at this angle.
Die Erfindung schlägt in Weiterbildung vor, der Oberfläche eine gewisse Textur oder Struktur zu geben. Hierzu ist es möglich, den Laser zu modulieren, insbesondere ein- und aus zuschalten.In a further development, the invention proposes the surface to give a certain texture or structure. This is it possible to modulate the laser, especially on and off switch.
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| Publication number | Publication date |
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| DE4217530A1 (en) | 1993-12-02 |
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