EP2533911B1

EP2533911B1 - Verfahren zum abtragen von overspray thermischer spritzschichten

Info

Publication number: EP2533911B1
Application number: EP11703825.7A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Treutmann; Gerhard Flores; Clemens Maria Verpoort
Original assignee: Ford Werke GmbH; Gehring Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Ford Werke GmbH; Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: JP2013518707A; WO2011098229A1; EP2533911A1; CN102802819A; HUE027130T2; US20130061885A1; PL2533911T3; KR20120118500A; DE102010007224A1; CN102802819B

Description

Die Eigenschaften von Funktionsflächen, wie zum Beispiel die Kolbenlaufbahnen in den Zylindern von Verbrennungsmotoren, können durch Beschichten, insbesondere durch thermisches Beschichten eingestellt und verbessert werden. Beim thermischen Beschichten wird der als Draht oder Pulver zugeführte Spritzwerkstoff im Prozess erschmolzen, so dass einzelne Partikel (Droplets) im flüssigen oder teigigen Zustand im Spritzstrahl gegen das Substrat bewegt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Partikelgröße entsteht ein Kernstrahl mit vollständig erschmolzenen Partikeln und beidseitigen Randstrahlen mit nur teilweise erschmolzenen Partikeln, die in einem bestimmten Öffnungswinkel zum Kernstrahl verlaufen. Die eigentliche Beschichtung erfolgt mit dem Kernstrahl.
An den Rändern der zu beschichtenden Funktionsfläche, z. B. an der oberen und unteren Bohrungskante einer Zylinderbohrung, verlassen die Randstrahlen die Funktionsfläche und setzen sich außerhalb der Funktionsfläche auf dem Werkstück nieder und bilden dort unerwünschte Anhaftungen. Diese Anhaftungen werden nachfolgend als Overspray bezeichnet. Der Overspray ist unerwünscht, da er sich während des Betriebs des Motors von dem Werkstück lösen kann. Die dadurch unkontrolliert entstehenden Partikel gelangen in den Ölkreislauf und verursachen einen erhöhten Verschleiß oder sogar den Totalausfall des Verbrennungsmotors.
Zur Vermeidung von Overspray werden die Werkstücke oft maskiert, sodass die anliegende Fläche nicht beschichtet werden kann. Die dazu erforderlichen Masken müssen von Hand an den vorgesehenen Stellen des Werkstücks befestigt werden. Daher ist das Maskieren sehr aufwändig und bisher nicht automatisierbar. Das thermische Spritzen von Zylinderbohrungen konnte sich daher nur in der Kleinserienfertigung durchsetzen.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Overspray durch spanende Verfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide abzutragen. Diese Methode ist aufgrund der im Kurbelgehäuse unterhalb der Zylinderbohrung vorhandenen Geometrien schwierig zu automatisieren.
Aus der US 5, 167, 721 ist es bekannt bei der Überholung oder Reparatur eines beschichteten Bauteils einer Gasturbine die Beschichtung großflächig mittels Wasserstrahl zu entfernen.
Alternativ ist es auch bekannt, Schichten von einem Substrat durch Hochdruckwasserstrahlen zu entfernen (siehe Lugscheider, E.: Handbuch der thermischen Spritztechnik. Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 139, Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS - Verlag GmbH, Düsseldorf. 2002. ISBN 3-87155-186-4, Seite 116 ff). Dabei wird ein Wasserstrahl mit hohem Druck mehr oder weniger senkrecht oder diffus auf die abzutragende Schicht gerichtet. Durch die kinetische Energie des Wasserstrahls wird die Zerstörung der anhaftenden Schicht und in Folge dessen das Abtragen der Schicht bewirkt. Der Wasserstrahl ist mit hoher Präzision positionierbar und erlaubt ein gezieltes lokales Abtragen in den gewünschten Bereichen. Der Nachteil der bekannten hydromechanischen Abtragverfahren besteht in den hohen Betriebsdrücken der Wasserstrahlsysteme, welche in der Literatur mit 150 MPa bis 400 MPa angegeben werden. Damit kann die Oberfläche des Werkstücks im Bereich der mit Overspray überzogenen Randzone unzulässig verändert oder sogar geschädigt werden. Um zu verhindern, dass die Funktionsschicht durch den Hochdruckwasserstrahl geschädigt wird, muss in manchen Fällen die Funktionsschicht durch Masken vor dem Hochdruckwasserstrahl geschützt werden, mit den oben erwähnten Nachteilen. Außerdem verursacht das Hochdruckwasserstrahlen einen hohen Energiebedarf für den Betrieb der Anlage und erfordert eine sehr teure Anlagentechnik.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin ein Verfahren bereitzustellen, welches das prozesssichere Entfernen von Overspray an den der Bohrung benachbarten Flächen erlaubt und dabei die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile weitestgehend überwindet. Insbesondere soll das Verfahren für Großserien geeignet sein, was eine vollständige Automatisierbarkeit bei gleichzeitig geringen Energiekosten und hoher Prozesssicherheit erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Abtragen des Overspray einer auf ein Werkstück aufgespritzten Schicht, bei dem mindestens ein Flüssigkeitsstrahl einer Strahllanze auf die mit Overspray versehenen Bereiche des Werkstücks gerichtet wird, wobei der mindestens eine Flüssigkeitsstrahl unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt kleiner 60° und besonders bevorzugt kleiner 30° und größer 5° ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die an die eigentliche Funktionsfläche anschließenden Oberflächen des Werkstücks nicht besonders für das Aufbringen einer Schicht vorbereitet wurde, so dass die Droplets beziehungsweise die Partikel weniger intensiv auf dem Werkstück haften, als dies auf der eigentlichen Funktionsfläche der Fall ist. Ein Grund hierfür ist darin zusehen, dass im Bereich der Funktionsflächen die Beschichtung, wie bereits erwähnt, durch den Kernstrahl mit vollständig aufgeschmolzenen Droplets erfolgt. Ein weiterer Effekt, der die Haftbedingungen zwischen Overspray und der Oberfläche des Substrats verschlechtert, ist darin zu sehen, dass die Droplets einen weiteren Weg zurücklegen müssen bis sie auf den zur Funktionsfläche benachbarten Bereich des Werkstücks auftreffen. Dadurch kühlen die Droplets stärker ab, was deren Haftung auf der Werkstückoberfläche weiter verringert. Diese Erkenntnis macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze, indem es den Flüssigkeitsstrahl unter einem möglichst flachen Winkel, der so klein wie möglich sein sollte, um eine gute Schälwirkung zu erzielen, auf die Oberfläche des Werkstücks richtet.
In der Praxis haben sich Winkel von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20° und besonders bevorzugt weniger als 10° als geeignet erwiesen. Idealerweise wirkt der Flüssigkeitsstrahl mehr oder weniger parallel zu der Kontaktfläche zwischen Substrat und Beschichtung.
Die erfindungsgemäße Schälwirkung wird unterstützt, wenn der Flüssigkeitsstrahl gewissermaßen von außen, d. h. von der unbeschichteten Werkstückoberfläche in Richtung der mit Overspray behafteten Bereiche der Werkstückoberfläche geführt wird. Dadurch wird die Ablösung des Oversprays durch "Schälen" anstelle des "Zertrümmerns" untertsützt.
Dadurch wirkt der Flüssigkeitsstrahl wie ein hydrodynamischer Keil, der sich in der Trennebene zwischen Substrat beziehungsweise die Oberfläche des Werkstücks und aufgespritzter Schicht(Overspray) und schiebt. Dadurch wird das Ablösen des Oversprays deutlich vereinfacht. Außerdem kann wegen der erfindungsgemäßen Ausrichtung des Flüssigkeitsstrahls der Arbeitsdruck des Flüssigkeitsstrahls deutlich reduziert werden, was sich positiv auf den Energiebedarf und somit auch auf die Betriebskosten auswirkt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Strahllanze und/oder die Austrittsrichtung des mindestens einen Flüssigkeitsstrahls aus der Strahllanze in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Oberfläche des Werkstücks in den mit Overspray versehenen Bereichen gesteuert wird. Dadurch ist es möglich, auch bei konkav oder konvex gekrümmten Oberflächen des Substrats immer einen optimalen Winkel zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der Oberfläche an dem Punkt, wo der Flüssigkeitsstrahl auf die Oberfläche auftritt, zu erreichen. Infolgedessen werden unabhängig von der Geometrie in der Oberflächenkontur des Werkstücks immer optimale Abtragbedingungen erzielt, so dass auch bei kompliziert geformten Geometrien das erfindungsgemäße Verfahren wirkungsvoll und effizient einsetzbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Strahllanze eine Rotationsbewegung ausführt. Dadurch werden auf einfachste Weise alle Bereiche rund um die Strahllanze gleichmäßig von dem Sprühstrahl erfasst und somit der Overspray vollständig entfernt.
Um möglichst alle und zwar auch komplexe Oberflächenkonturen von Werkstücken wirkungsvoll vom Overspray befreien zu können, ist vorgesehen, dass die Richtung mindestens eines Flüssigkeitsstrahls der Strahllanze mit einer von der Drehachse der Strahllanze und einem Radiusstrahl aufgespannten Ebene, die sogenannte Z-R-Ebene, einen ersten Winkel α einschließt, und dass der erste Winkel α größer 5° und kleiner 85° ist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Richtung mindestens eines Flüssigkeitsstrahls mit einer Ebene (X-Y-Ebene), die lotrecht zu einer Z-Achse der Strahllanze angeordnet ist, einen zweiten Winkel β einschließt, und dass der zweite Winkel größer 5° und kleiner 85° ist. Durch diese Winkelbereiche, die gewissermaßen in einem fest mit der Strahllanze verbundenen Zylinderkoordinaten-System definiert sind, lassen sich selbst bei komplizierten Konturen der mit Overspray versehenen Oberflächen von Werkstücken die optimalen erfindungsgemäßen Abtragbedingungen für das Overspray erreichen.
Damit das erfindungsgemäße Verfahren auch bei komplexen Geometrien unverändert wirksam ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine Düse der Strahllanze verschwenkbar ist und zwar so, dass der erste Winkel α und der zweite Winkel β in jeweils in Bereichen zwischen 5° und 85° einstellbar sind. Dadurch ist es möglich, dass der Sprühstrahl der Strahllanze immer unter annähernd gleichen Winkeln auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, dass als Flüssigkeit für das Abtragen ein Kühlschmiermittel, vorzugsweise ein mit Wasser mischbares Kühlschmiermittel eingesetzt wird. Das Konzentrat dieser Mischung ist so ausgewählt, dass eine mineralölhaltige Emulsion oder eine synthetische mineralölfreie Lösung als Fluid zur Verfügung steht. Dieses Kühlschmiermittel hat den Vorteil, dass es das zuvor beim thermischen Beschichten erwärmte Werkstück und insbesondere dessen Funktionsoberfläche (Zylinderbohrung) abkühlt. Dadurch kann das Werkstück besser und rascher in den nachgelagerten Bearbeitungsprozessen bearbeitet werden.
Dieses Kühlschmiermittel hat außerdem den Vorteil, dass es nicht korrosiv ist und somit keine Korrosion an den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Werkstücken auftritt.
Des Weiteren werden solche Kühlschmiermittel auch in den nachgelagerten Prozessen, wie zum Beispiel Honen oder Anfasen der Zylinderbohrung eingesetzt. Dadurch ist dieses Kühlschmiermittel erstens schon verfügbar und es besteht keine Notwendigkeit, die Flüssigkeiten zum Abtragen des Oversprays von den Kühlschmiermitteln in den nachgelagerten Prozessen zu trennen. Dadurch ergibt sich einer erhebliche Vereinfachung bei der Prozessführung. Außerdem wird nur eine Wiederaufbereitungs- und Pumpeinrichtung für die gesamte Fertigungslinie benötigt.
Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn das Kühlschmiermittel mit einem Druck in einem Bereich zwischen 15 MPa und 60 MPa, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 MPa und 50 MPa, und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 25 MPa und 40 MPa, der oder den Düsen, welche den Flüssigkeitsstrahl bilden, zugeführt wird. Diese Druckbereiche sind deutlich niedriger als die im Stand der Technik genannten Drücke für das herkömmliche HochdruckWasserstrahlen. Aus den niedrigeren Betriebsdrücken resultieren erhebliche Vorteile hinsichtlich des Energiebedarfs, aber auch die konstruktive Auslegung der erfindungsgemäßen Strahleinrichtung kann deutlich vereinfacht werden. Außerdem ist die Unfallgefahr aufgrund der niedrigeren Betriebsdrücke und damit verbunden der geringeren kinetischen Energie des Flüssigkeitsstrahls geringer.
Um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu optimieren und auch bei sehr komplexen Geometrien konstant hoch zu halten, ist weiter vorgesehen, dass der Druck mit dem das Kühlschmiermitteln den Düsen der Strahllanze zugeführt wird, in Abhängigkeit der rotatorischen und/oder translatorischen Position der Düsen gesteuert werden kann. Die Steuerung des Drucks ist eine Möglichkeit, Stellen an denen der Overspray besonders hartnäckig anhaftet, gezielt mit einer höheren kinetischer Energie des Flüssigkeitsstrahls zu beaufschlagen, um auf diese Weise ein optimales Abtragergebnis zu erzielen. Umgekehrt kann der Druck auch abgesenkt werden, wenn der Overspray in bestimmten Bereich sehr leicht entfernbar ist.
In ähnlicher Weise ist es auch möglich, auch den Volumenstrom des durch die Düsen der Strahllanze geförderten Kühlschmiermittels in Abhängigkeit der rotatorischen und/oder translatorischen Position der Düsen zu steuern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist Teil einer Fertigungskette und wird natürlich erst dann eingesetzt, wenn eine oder mehrere Funktionsflächen zum Beispiel durch thermisches Spritzen mit einer Beschichtung versehen wurde. Dann kann das erfindungsgemäße Verfahren direkt anschließend eingesetzt werden, um den Overspray zu entfernen. In diesem Fall bewirkt der Flüssigkeitsstrahl auch eine Abkühlung des Werkstücks, besonders beider Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten. Dies ist ein zusätzlicher positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens, da nach dem thermischen Beschichten die Werkstücktemperatur über 100 °C betragen kann und eine anschließende Honoperation aus Gründen der Maßhaltigkeit eine Werkstücktemperatur von max. 25 °C erfordert. Anschließend kann die zuvor beschichtete Funktionsfläche gehont werden und, falls erforderlich, die Kanten der gehonten Funktionsfläche mit einer Fase versehen werden.
Alternativ ist es auch möglich, dass zunächst die beschichtete Funktionsfläche aktiv oder passiv zum Beispiel mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis (Kühlschmiermittel) abgekühlt und dann gehont wird. Im Anschluss an das Honen wird der Overspray mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt wird und schließlich werden die Kanten der gehonten Funktionsfläche mit einer Fase versehen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Strahllanze zur Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren zur vollständigen oder teilweisen Entfernung von Overspray, wobei die Strahllanze eine Aufnahme, mindestens einen Kühlschmiermittelanschluss und mindestens eine Düse umfasst, wobei die mindestens eine Düse der Strahllanze mit einer von der Drehachse der Strahllanze und einem Radiusstrahl aufgespannten Ebene (Z-R-Ebene), einen ersten Winkel α einschließt, und wobei der erste Winkel α größer 5° und kleiner 85° ist. In anderen Worten: Ein erster Winkel α = 0° entspricht einem Radiusstrahl, während ein erster Winkel α = 90° einer Tangente entspricht.
In entsprechender Weise kann die mindestens eine Düse der Strahllanze mit einer Ebene (X-Y-Ebene), die lotrecht zu der Drehachse (Z-Achse) angeordnet ist, einen zweiten Winkel β einschließen, wobei der zweite Winkel β erfindungsgemäß > 5° und < 85 ° ist. Eine solche Strahllanze ermöglicht es, den Winkel zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend einzustellen.
Wenn die Kontur des Werkstücks komplex ist, kann es auch vorteilhaft sein, dass die mindestens eine Düse der Strahllanze verschwenkbar ist, so dass der erste Winkel α und/oder der zweite Winkel β einstellbar ist. Die Schwenkeinrichtung der mindestens einen Düse kann von einer numerischen Steuerung angesteuert werden, so dass während der Bearbeitung der Flüssigkeitsstrahl immer so ausgerichtet werden kann, dass er möglichst unter einem flachen Winkel auf die Werkstückoberfläche auftritt.
Es ist selbstverständlich auch möglich und vorteilhaft, wenn mehrere Düsen an einer Strahllanze vorgesehen sind und diese Düsen in verschiedenen ersten Winkeln α oder zweiten Winkeln β ausgerichtet sind. Dann ist es möglich, den Flüssigkeitsstrahl auch bei komplizierten Konturen des Werkstücks immer unter einem günstigen Winkel auf jeden Bereich des Werkstücks zu richten, selbst wenn die Düsen feststehend, also nicht schwenkbar, an der Strahllanze angeordnet sind. Dadurch ergibt sich trotz der vereinfachten konstruktiven Ausgestaltung der Strahllanze ein optimales Ergebnis.
Um den Energie- und Kühlschmiermittelbedarf der erfindungsgemäßen Strahllanze zu minimieren, ist weiter vorgesehen, dass die Düsen einzeln zuschaltbar und abschaltbar sind. Diese Schaltvorgänge können auch während des Betriebs der Strahllanze erfolgen, so dass auch dadurch eine im Hinblick auf den Energie- und Flüssigkeitsbedarf optimierte Strahlführung trotz feststehender Düsen möglich ist.
Um den Overspray an den benachbarten Flächen beider Enden einer Kolbenlaufbahn eines Verbrennungsmotors gleichzeitig abtragen zu können, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass die Düsen in Längsrichtung der Z-Achse der Strahllanze zueinander beabstandet angeordnet sind, so dass an beiden Enden der beschichteten Funktionsflächen der Overspray gleichzeitig entfernt werden kann. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Taktzeiten, was insbesondere bei der Serienfertigung von Verbrennungskraftmaschinen ein wesentlicher Vorteil ist. Auch auf eine Markierung kann vollständig verzichtet werden. Damit ist erstmalig eine automatisierte Anwendung in der Großserienfertigung möglich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und deren Patentansprüchen beschrieben. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Zeichnung

Es zeigen

Figur 1 Eine beschichtete Kolbenlaufbahn im Längsschnitt mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahllanze,
Figuren 2 und 3 Details der Werkstückoberfläche, Beispiele komplexer Geometrien, komplexer Konturen des Werkstücks in unmittelbarer Nähe der beschichteten Zylinderbohrung,
Figur 4 eine stark vergrößerte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Abtragvorgangs,
Figur 5 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetragener Partikel des Oversprays und
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahllanze mit der an beiden Enden der Funktionsfläche (Kolbenlaufbahn) gleichzeitig der Overspray entfernt werden kann.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Zylinderblock 1, der nachfolgend auch als Werkstück oder Substrat bezeichnet wird, mit einer Kolbenlaufbahn 3 im Längsschnitt dargestellt. Auf der Kolbenlaufbahn 3 ist eine Beschichtung 5 durch thermisches Spritzen aufgebracht. Diese Beschichtung bildet nach dem Honen eine Funktionsoberfläche, die hinsichtlich Verschleiß und Ölverbrauch des Verbrennungsmotors optimiert ist.
Die Kolbenlaufbahn 3 endet in Figur 1 oben an der sogenannten Deckfläche 7, auf welche später die Zylinderkopfdichtung und der Zylinderkopf aufgesetzt werden (nicht dargestellt).
Am unteren Ende der Kolbenlaufbahn 3 geht der Zylinderblock 1 in das Kurbelgehäuse über. Für die Erfindung von Bedeutung ist dabei, dass die Kontur des Zylinderblocks 1 unterhalb der Kolbenlaufbahn 3 Vorsprünge, Vertiefungen und andere "Unregelmäßigkeiten" aufweist.
Am unteren Rand der Figur 1 sind drei Koordinatenachsen X, Y und Z eines kartesischen ortsfesten Koordinatensystems angegeben. Dabei ist die Z-Achse deckungsgleich mit der Längsachse der Kolbenlaufbahn 3 und einer Drehachse einer erfindungsgemäßen Strahllanze 9. Die Strahllanze 9 rotiert, wie durch einen Pfeil 11 angedeutet, um die Z-Achse.
Orthogonal zu der Z-Achse ist daher an der Strahllanze noch eine R-Achse eingetragen, die in Richtung eines Radiusstrahls verläuft und fest mit der Strahllanze 9 verbunden ist. Sie macht also die Rotationsbewegung der Strahllanze 9 mit.
Das Beschichten der Kolbenlaufbahn 3 erfolgt dadurch, dass eine entsprechend ausgebildete Lanze (nicht dargestellt) in Richtung der Z-Achse in die Kolbenlaufbahn eingeführt wird und dabei die Schutzschicht 5 auf die Kolbenlaufbahn 3 aufspritzt. Dabei bewegt sich die Lanze einerseits in Richtung der Z-Achse und dreht sich gleichzeitig um die Z-Achse. Währenddessen tritt ein Strahl von aufgeschmolzenem Material, welches die Schicht 5 bildet, radial aus der Lanze aus und wird mit hoher kinetischer Energie auf die Kolbenlaufbahn 3 geblasen. Um eine optimale Haftung zu erzielen wird die Oberfläche der Kolbenlaufbahn 3 diesem Zweck entsprechend vorbereitet und entfettet. Dadurch ergibt sich eine sehr innige und unlösbare Verbindung zwischen der Schicht 5 und der eigentlichen Kolbenlaufbahn 3.
Da der Strahl, mit dem das aufgeschmolzene Material von der nicht dargestellten Lanze auf die Kolbenlaufbahn 3 gespritzt wird, sich vor dem Auftreffen auf der Kolbenlaufbahn 3 eine gewisse Aufweitung erfährt, ist der Strahl letztendlich kegelförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn sich die Lanze dem oberen Ende oder dem unteren Ende der Kolbenlaufbahn 3 nähert, ein geringer, aber nicht zu vernachlässigender Anteil des aufgeschmolzenen Materials nicht auf der Kolbenlaufbahn 3 auftrifft, sondern sich beispielsweise auf der Deckfläche 7 oder in den unteren Bereichen des Zylinderblocks 1 als sogenannter Overspray niederschlägt. In der Figur 1 ist dieser Overspray mit dem Bezugszeichen 13 versehen.
Da die Deckfläche 7 und die unteren Bereiche des Zylinderblocks 1, anders als die Kolbenlaufbahn 3 nicht für die Beschichtung mit einer aufgespritzten Schicht vorbereitet sind, ist die Haftung des Oversprays 13 weniger gut als die Haftung der Schicht 5 auf der Kolbenlaufbahn 3.
Zu der schlechteren Haftung des Oversprays 13 auf dem Substrat 1 trägt auch der weitere Weg, den der Strahl von der Strahllanze bis zum Auftreffen beispielsweise auf den unteren Bereichen des Zylinderblocks 1 zurücklegt bei. Im Ergebnis lässt sich festhalten, dass der Overspray weniger gut an der Oberfläche des Werkstücks 1 als die Schicht 5 an der Kolbenlaufbahn 3 anhaftet.
Der Overspray 13 muss von dem Werkstück 1 entfernt werden, da er sich andernfalls während des Betriebs des Verbrennungsmotors lösen und in den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors gelangen könnte. Daraus kann ein erhöhter Verschleiß oder kapitale Folgeschäden resultieren. Auch im Bereich der Deckfläche 7 muss der Overspray 13 entfernt werden, da die Zylinderkopfdichtung nur dann aufgelegt werden kann, wenn die Deckfläche 7 plan ist und keine Aufwürfe in Form von Overspray 13 mehr aufweist.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Overspray durch einen oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen 15 abzutragen, wobei dieser Flüssigkeitsstrahl 15 aus einer oder mehreren Düsen 17 der Strahllanze 9 austritt.
In der in Figur 1 dargestellten Position der Strahllanze 9 wird der Overspray an der Deckfläche 7 des Zylinderblocks 1 abgetragen. Wie aus dieser Darstellung sehr deutlich hervorgeht, ist ein zweiter Winkel β zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 15 und der Deckfläche 7 deutlich kleiner als 90°, er beträgt etwa 30° bis 40°.
Ein erster Winkel α, der den Winkel zwischen einer von der Drehachse (Z-Achse) und einer von der R-Achse aufgespannten Ebene angibt ist in den Figuren nicht sichtbar und daher nicht eingetragen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrahl 15 nicht senkrecht auf den Overspray 13 auftritt, sondern möglichst unter einem kleinen Winkel, das heißt flach, auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Dadurch wird erreicht, dass der Flüssigkeitsstrahl 15 gewissermaßen wie ein Keil zwischen den Overspray 13 und die Deckfläche 7 eindringt und dadurch der Overspray von der Deckfläche 7 abgeschält wird. Dadurch wird die Geschwindigkeit mit der der Overspray 13 entfernt deutlich erhöht und es genügt ein verhältnismäßig geringer Betriebsdruck von beispielsweise 28 MPa, um eine zuverlässige und rasche Entfernung des Oversprays zu gewährleisten.
Der Winkel unter dem der Flüssigkeitsstrahl 15 auf die Oberfläche des Werkstücks 1 auftrifft, wird durch den ersten Winkel α und den zweiten Winkel β bestimmt.
Die Strahllanze 9 muss so weit oberhalb der Deckfläche 7 positioniert sein, dass der Strahl 15 nicht mehr in die Bohrung 3 gelangt, sondern ausschließlich auf der Deckfläche auftrifft.
In Versuchen hat sich erwiesen, dass Winkel α und/oder β > 5° ausreichen, um die gewünschte Schälwirkung oder Spaltwirkung des Flüssigkeitsstrahls 15 zu erreichen. Herkömmliche Abtragverfahren, die mit einem Hochdruckwasserstrahl arbeiten, richten den Wasserstrahl diffus auf die abzutragende Schicht, hier das Overspray 13, und zertrümmern mit Hilfe eines sehr hohen Wasserdrucks den Overspray 13. Diese Vorgehensweise ist sehr viel energieintensiver, erfordert höhere bauliche Aufwendungen wegen des höheren Betriebsdrucks. Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Verfahren noch den weiteren Vorteil, dass die Abtragrate deutlich erhöht ist.
Es versteht sich von selbst, dass die Austrittsrichtung der Düse 17 entsprechend der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche, hier die Deckfläche 7, entsprechend gewählt und ausgerichtet werden muss, so dass der erfindungsgemäße kleine Winkel zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und dem Sprühmittelstrahl 15 gewährleistet ist.
Wenn man beispielsweise mit der gleichen Sprühlanze 9 in die Kolbenlaufbahn 3 so weit eintaucht, bis der Sprühmittelstrahl 15 auf den Overspray 13 am unteren Ende des Zylinderblocks 1 auftrifft, dann würde dieser Sprühmittelstrahl unter einem Winkel von etwa 60° auf den Overspray auftreffen. Dadurch würde die Schälwirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemindert und insofern würde das erfindungsgemäße Verfahren nicht seine optimale Leistungsfähigkeit erzielen.
In Figur 1 ist nur eine Düse 17 und ein Sprühmittelstrahl 15 dargestellt. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere über den Umfang verteilte und in Figur 1 nicht dargestellte Düsen 17, die, wenn auch über den Umfang versetzt unter dem gleichen Winkel β auf die Deckfläche 7 gerichtet sind, vorzusehen. Eine solche Gruppe von gleichgerichteten Düsen 17 wird nachfolgend als Düsenregister bezeichnet.
Wenn man nun im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens den Overspray 13 am unteren Ende des Zylinderblocks abschälen beziehungsweise abtragen will, müssen die Düsen 17 anders ausgerichtet werden. Dies wird deutlich an den Figuren 2 und 3, die jeweils verschiedene Ausgestaltungen des unteren Endes einer Kolbenlaufbahn 3 und der angrenzenden Bereiche mit Overspray 13 darstellen. Die Figuren 2 und 3 sollen verdeutlichen, dass verschiedenste Geometrien und Konturen an das Ende der Zylinderlaufbahn 3 angrenzenden Gebiete Oberflächen des Werkstücks 1 möglich sind und infolgedessen auch Art, Größe und Ausprägung des Oversprays entsprechend verschieden sein können.
Um beispielsweise den in Figur 3 dargestellten Overspray 13 bestmöglich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abtragen zu können, ist in Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sprühlanze 9 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel einer Sprühmittellanze 9 ist die Düse 17 aufwärts gerichtet und zwar so, dass der Sprühmittelstrahl 15 unter einem zweiten Winkel β von etwa 45° auf die Oberfläche des Werkstücks in dem Bereich, in dem Overspray an dem Werkstück 1 vorhanden ist, auftrifft. In diesem Fall ist der zweite Winkel β zwischen dem Strahl 5 und der Werkstückoberfläche größer als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, was der Kontur des Werkstücks 1 geschuldet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist der Overspray 13 in einer Vertiefung des Werkstücks 1 angebracht, so dass Strahl 15 nur dann alle vom Overspray 13 bedeckten Bereiche des Werkstücks 1 erreicht, wenn er etwas steiler auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist. Da jedoch die Stelle an welcher der Strahl 15 beginnt, den Overspray 13 abzutragen, am weitesten von der Kolbenlaufbahn 3 entfernt ist, ist hier die Dicke des Oversprays 13 minimal und die Haftung des Oversprays 13 am schlechtesten. Daher ist es auch mit diesen etwas größeren Winkel zwischen dem Strahl 15 und der Werkstückoberfläche erfindungsgemäß gut möglich, den Overspray abzuschälen. Dabei platzen verhältnismäßig große Stücke von Overspray 13 von der Oberfläche des Werkstücks 1 ab, so dass sich insgesamt ein sehr effizientes und wirksames Abtragen des Oversprays 13 trotz des Winkels von etwa 45° zwischen dem Strahl 15 und der Werkstückoberfläche einstellt.
In Figur 5 ist exemplarisch und stark vergrößert ein solcher abgeplatzter Partikel von Overspray 13 dargestellt. Bei der Auswertung praktisch durchgeführter Versuche hat sich ergeben, dass Partikel mit einer Länge von etwa 10 mm und einer Breite von etwa 5 mm Partikel abplatzen und somit der Overspray 13 nicht zertrümmert wird, sondern wie auch die Figuren 1 und 4 veranschaulichen, abgeschält wird. Der erfindungsgemäße Wirkungsmechanismus basiert darauf, dass der Strahl 15 zwischen Overspray 13 und dem Substrat beziehungsweise der Werkstückoberfläche 1 in der Art eines "Spaltkeils" eindringt.
Es wäre naturgemäß auch möglich, in eine Lanze 9 mehrere Register von Düsen 17 zu integrieren, die jeweils unter unterschiedlichen Winkeln aus der Lanze 9 austreten. Diese verschiedenen Register könnten dann entweder gleichzeitig oder nacheinander aktiviert werden, je nachdem wie die Oberfläche des Werkstücks verläuft. Dadurch kann immer ein optimaler Winkel zwischen dem Strahl 15 und der Werkstückoberfläche erzielt werden, auch wenn die Düsen 17 nicht verschwenkbar, sondern starr in der Lanze 9 eingebaut sind.
Wenn die verschiedenen Düsenregister einzeln aktiviert werden können, können gleichzeitig auch noch der Sprühmittelbedarf und der Bedarf an Antriebleistung minimiert werden.
In Figur 6 ist ein solches Ausführungsbeispiel einer solchen Lanze 9 dargestellt. Diese Lanze 9 ragt durch die gesamte Kolbenlaufbahn 3 hindurch. Das erste Register von Düsen 17.1 ist auf den Overspray an der Deckfläche 7 gerichtet, während ein zweites Register von Düsen 17.2 von unten auf den Overspray in dem Bereich unterhalb der Kolbenlaufbahn 3 gerichtet ist. Diese Lanze 9 ist gewissermaßen die Kombination der in den Figuren 1 und 4 dargestellten Lanzen. Dadurch ist es möglich, den Overspray 13 oberhalb und unterhalb der Kolbenlaufbahn 3 gleichzeitig und mit hoher Effektivität zu entfernen, was die Taktzeiten verringert und das erfindungsgemäße Verfahren noch wirtschaftlicher macht.
Es ist auch möglich, die Düsen 17 schwenkbar in der Lanze 9 zu lagern, so dass sie entsprechend der aktuellen Position der Lanze 9 auf die Oberfläche des Werkstücks 1 gerichtet werden können, so dass der Strahl mit einem möglichst kleinen Winkel auf der Oberfläche des Werkstücks 1 auftrifft. Dadurch wird eine bestmögliche Schälwirkung oder Spaltwirkung zwischen dem Overspray 13 und dem Werkstück erzielt, so dass das Overspray 13 rasch und sicher mit geringem Strahlmittel- und Energieaufwand entfernt werden kann.
Durch die Verwendung des in der Maschine befindlichen Kühlschmierstoffes für die mechanische Bearbeitung, gewinnt das hydromechanische Abtragen von Overspray 13 weiter an Wirtschaftlichkeit. Es ist kein separater Kreislauf und keine Waschmaschine zwischen den Prozessen erforderlich, sondern es kann mit ein und demselben Fluid sowohl bei der Zerspanung als beim Abtragen des Oversprays 13 gearbeitet werden.
Eine lokale Druckanpassung an den Verlauf der Topographie ist durch einen automatisierten Zyklus möglich. Dies ist dann erforderlich, wenn der Verlauf der zu strahlenden Werkstückoberfläche ungünstig ist.
Strahlparameter am Ausführungsbeispiel:

Druck: 28 MPa

Volumenstrom /Düse: 5,6 l/min

Anzahl der Düsen: 6

Düsendurchmesser: 0,9 mm

Gesamtvolumenstrom: 34 l/min

Düsenabstand: ≥ 15 mm

Material der Düsen: Saphir

Claims

Verfahren zum Abtragen des Oversprays (13) einer auf ein Werkstück (1) aufgespritzten Schicht ((5), bei dem mindestens ein Flüssigkeitsstrahl (15) einer Strahllanze (9) als hydrodynamischer Keil in der Trennebene zwischen Werkstück (1) und Overspray (13) auf die mit Overspray (13) versehenen Bereiche des Werkstücks (1) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Flüssigkeitsstrahl (15) unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt kleiner 30° und besonders bevorzugt kleiner 10°, und größer 5° auf die mit Overspray (13) versehenen Bereich der Oberfläche des Werkstücks (1) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (15) von den nicht beschichteten Bereichen des Werkstücks (1) zu den mit Overspray (13) versehenen Bereichen geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahllanze (9) und/oder die Austrittsrichtung des mindestens einen Flüssigkeitsstrahls (15) in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Oberfläche des Werkstücks (1) in den mit Overspray (13) versehenen Bereichen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahllanze (9) eine Rotationsbewegung (11) ausführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahllanze (9) koaxial zu einer Zylinderbohrung (3) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung mindestens eines Flüssigkeitsstrahls (15) mit einer von der Drehachse (Z) der Strahllanze (9) und einem Radiusstrahl (R) aufgespannten Ebene (Z-R-Ebene) einen ersten Winkel (α) einschließt, und dass der erste Winkel (α) größer 5° und kleiner 85° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung mindestens eines Flüssigkeitsstrahls (15) mit einer Ebene (X-Y-Ebene), die lotrecht zu dem Radiusstrahl (R) angeordnet ist, einen zweiten Winkel (β) einschließt, und dass der zweite Winkel (β) größer 5° und kleiner 85° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Düse (17) der Strahllanze (9) in einer von der Drehachse (Z) der Strahllanze (9) und einem Radiusstrahl (R) aufgespannten Ebene (Z-R-Ebene) und/oder einer Ebene (X-Y-Ebene), die lotrecht zu dem Radiusstrahl (R) angeordnet ist, verschwenkbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit ein Kühlschmiermittel, vorzugsweise ein mit Wasser mischbarer Kühlschmiermittel und/oder ein synthetisches Kühlschmiermittel, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlschmiermittel mit einem Druck in einem Bereich zwischen 15 MPa und 60 MPa, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 MPa und 50 MPa , und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 25 MPa und 40 MPa, den Düsen (17), welche den Flüssigkeitsstrahl (15) bilden, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mit dem das Kühlschmiermittel den Düsen (17) der Strahllanze (9) zugeführt wird, in Abhängigkeit der rotatorischen und/oder translatorischen Position der Düsen (17) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des durch die Düsen (17) der Strahllanze (9) geförderten Kühlschmiermittels in Abhängigkeit der rotatorischen und/oder translatorischen Position der Düsen (17) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an eines der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche die beschichtete Funktionsfläche (5) gehont wird und anschließend die Kanten der gehonten Funktionsfläche (5) mit einer Fase versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Funktionsfläche (5) während des Entfernens von Overspray durch mindestens einen Flüssigkeitsstrahl (15) abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Funktionsfläche (5) aktiv oder passiv abgekühlt und gehont wird, dass anschließend der Overspray (13) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 entfernt wird, und dass anschließend die Kanten der gehonten Funktionsfläche (5) mit einer Fase versehen werden.
Strahllanze (9) zur Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren zur Entfernung von Overspray (13) mit mindestens einem Kühlschmiermittelanschluss und mit mindestens einer Düse (17), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (17) der Strahllanze (9) mit einer von der Drehachse (Z) der Strahllanze (9) und einem Radiusstrahl (R) aufgespannten Ebene (Z-R-Ebene) einen ersten Winkel (α) einschließt, und dass der erste Winkel (α) größer 5° und kleiner 85° ist.
Strahllanze (9) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (17) der Strahllanze (9) mit einer von der Drehachse (Z) der Strahllanze (9) und einer Ebene (X-Y-Ebene), die lotrecht zu dem Radiusstrahl (R) angeordnet ist, einen zweiten Winkel (β) einschließt, und dass der zweite Winkel (β) größer 5° und kleiner 85° ist.
Strahllanze (9) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (17) der Strahllanze (9) zur Einstellung des ersten Winkels (α) und/oder des zweiten Winkels (β) verschwenkbar ist.
Strahllanze (9) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (17) vorgesehen sind, dass die Düsen (17) in verschiedenen ersten Winkeln (α) und/oder zweiten Winkeln (β) ausgerichtet sind.
Strahllanze (9) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (17) einzeln einschaltbar und abschaltbar sind.
Strahllanze (9) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (19) in Richtung der Z-Achse zueinander beabstandet angeordnet sind, so dass an beiden Enden der beschichteten Funktionsfläche (5) der Overspray (13) gleichzeitig entfernt werden kann.