WO1994007655A1 - Werkzeug zur behandlung von oberflächen von bauteilen - Google Patents

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WO1994007655A1
WO1994007655A1 PCT/DE1993/000716 DE9300716W WO9407655A1 WO 1994007655 A1 WO1994007655 A1 WO 1994007655A1 DE 9300716 W DE9300716 W DE 9300716W WO 9407655 A1 WO9407655 A1 WO 9407655A1
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WO
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area
tool
component
diameter
seat
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PCT/DE1993/000716
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ludwig Finkbeiner
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Priority to DE59305800T priority patent/DE59305800D1/de
Priority to BR9307121A priority patent/BR9307121A/pt
Priority to KR1019950701065A priority patent/KR950703432A/ko
Priority to JP6508565A priority patent/JPH08501830A/ja
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/02—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/003—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor the working tool being composed of a plurality of working rolls or balls

Definitions

  • the invention relates to a tool for treating surfaces of components. So far, the processing of surfaces has been carried out by honing (drawing grinding) or lapping with the help of honing or lapping tools. Semi-automatic or fully automatic honing machines are used for mass production. The surface is processed in a multi-stage process. However, the requirements for fine machining of surfaces cannot be met. Too many cracks and striations remain, so that the treated surface is relatively prone to failure.
  • the tool according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the machined surface is not machined, but material-compacting and material-closing. A hardening, smoothing and compacting process of the surface is thereby carried out. The dimensional accuracy of the machined component is far higher than that achieved in the previous process. Since the surface has hardly any grooves the treating surface is almost impervious to corrosion. As a result, the machined components have a relatively long service life.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the tool according to the invention in a schematic illustration, the individual areas not being drawn to scale for clarity.
  • FIGS. 2 and 3 show modifications according to the exemplary embodiment according to FIG. 1, and
  • FIG. 4 shows a layer-like structure of the hard layer on the base material of the tool.
  • 10 denotes a tool which is suitable for smoothing and hardening surfaces at the same time.
  • the tool 10 Seen in the working direction, which is marked with the arrow 11 in FIG. 1, the tool 10 has a centering area 12 at the beginning.
  • This centering area 12 has a conical insertion area 13, which is approximately a slope of approx. 7 °.
  • the insertion area 13 serves to insert the tool without damage, for example into a bore. To explain this, a hole is always discussed below.
  • the transition from the insertion area 13 into the centering area 12 has a fine radius. This is necessary in order to prevent damage to the surface to be processed.
  • the centering area 12 itself is cylindrical. It is important, however, that the axis of the tool 10 and the axis of the bore coincide so that the tool 10 does not jam in the bore.
  • An inlet area 15 which has a slope, adjoins the centering area 12.
  • the slope of this slope is between 0.7 ° and 2.3 °. It depends on the material of the tool as well as on the material of the component to be machined, ie here, for example, a valve in which the bore is formed. The values of the slope are currently still to be determined empirically.
  • This inlet area 15 serves to prevent undefined scraping by the subsequent work area 17 at the start of the drilling.
  • a tangential region 18 leads from the inlet region 15 to the working region 17. The course of the tangential region 18 corresponds almost to a large radius, so that it would correspond to a tangent. This tangential area 18 is necessary in order to avoid an angular transition from the inlet area 15 to the working area 17.
  • the material of the component to be machined is already compacted.
  • the radius of the tangential region 18 does not cause any displacement of the material of the material in the micro range in the direction of movement 11 of the tool 10, but rather the material is largely radially retracted outside, ie vertically or at 90 ° to the direction of movement 11.
  • the radius of the tangential region 18 is dependent on the material of the component and also on the ratio between the length and the diameter of the tool 10.
  • the actual working area 17 which then follows consists of a cylindrical area, the diameter being up to approximately 0.2% larger than the desired diameter of the bore to be machined.
  • This oversize depends on the material of the component and the length of the hole.
  • the width of this working area 17 on the tool 10 corresponds to approximately 0.4% of the machined diameter of the bore.
  • the work area 17 is followed by a relaxation area 20 which is curved. It serves to relax the material of the component processed by the work area 17.
  • the recovery phase takes place in the micro area of the surface of the bore of the component.
  • the material of the component can again be slightly distributed in the recovery area 20.
  • the recovering trough 22 is radius-shaped, the radius being dependent on the diameter and the length of the tool. A continuous transition from the recovery area 20 into the collecting trough 22, as in the case of a compound curve when viewed mathematically, is important for the tool to be moved back from the bore without damage.
  • the adjoining area 24 corresponds in terms of shape, effect and task to the recreation area 20.
  • the working area 26 represent a mirror-image repetition of the areas 17, 20, 22.
  • the working area 26 and the areas lying between the working areas 17 and 26 are now repeated identically until the length of the part to be machined is reached .
  • the repeating work areas 26 are all 60% of the length of the first work area 17.
  • the last working area 26 is followed by an outlet area 30, the slope of which has a slightly larger slope angle than the insertion area 15. The slope angle is between 3 ° and 7 °. It again serves as an expansion area for the material of the component that has just been machined.
  • the transition from the outlet area 30 into the outlet cylinder 32 is radial in order to avoid a risk of breakage for the tool.
  • the length of the outlet cylinder 32 corresponds to approximately 60% of the centering area 12.
  • the diameter of the outlet cylinder 32 is approximately 0.5% to 1% smaller than the diameter of the working area 17 or 26. This also means that the diameter of the outlet cylinder 32 is smaller is the diameter of the centering area 12. In individual cases, however, it can also be the same size.
  • the end of the tool 10 is formed by a spherical cap 34, which is used for introducing and transmitting force to the feed movement for the tool 10 in the direction of the arrow 11.
  • the calotte 34 is so to train that a punctiform introduction of force is possible, for example with the help of an automatic press.
  • the radius is determined empirically and depends on the length and the diameter of the tool 10. From a mathematical point of view, the cap 34 has the shape of a basket arch with a smaller diameter of the tool 10, which means that the side surfaces of the cap 34 run steeper than in the case of a radius-shaped training. This is particularly necessary for tools with a longer length and a smaller diameter.
  • the spherical cap 34 would be formed in mirror image to an imaginary mirror axis running through the tip of the spherical cap 34.
  • the areas of the tool described above represent the essential sections which are always present regardless of the use of the tool. If the tool is now used to machine a continuous bore, the centering region 12 is formed directly on the tool, as described above. Alternatively, a centering area could be attached to the component to be machined.
  • the work part or parts of the tool are also connected to the centering region 12. It consists of the working area 17 to the working area 26, this working part being repeated several times. As already mentioned above, after the first repetition, the working area 26 is always of the same length, but is only 60% of the length of the first working area 17, which adjoins the inlet area 15.
  • the working part now consists of several stages, the working areas 17 and 26 of the individual stages each having a larger diameter.
  • the diameter does not increase linearly from step to step, but the increase in the diameter of the working areas 17, 26 or 17a, 26a is curved over the entire length of the tool and has, for example, the shape of a logarithmic or a potentially running curve.
  • the exact course for the tool has been determined empirically.
  • the last step, ie the working area 26 is then adapted to the diameter of the machined bore with the necessary overall allowance (the allowance also increases per step).
  • the outlet area 30, the outlet cylinder 32 and the spherical cap 34 adjoin this working area 26.
  • a driving area 36 is arranged between the outlet cylinder 32 and the spherical cap 34.
  • This driving area 36 is e.g. designed as a double flat or as a four flat edge. To ensure that the tool 10 is pulled out safely, the surface of the driving area 36 must be designed with a certain roughness.
  • the tool can also be used to form seats and shoulders in the bore.
  • the tool has a seat 38 after the working area 26, which corresponds to the dimension of the desired seat in the bore.
  • the bevel of the seat 38 is approximately 0.5% larger than the bevel of the seat to be created (this is necessary because of the springing back of the material and the component). The outlet cylinder 32 would then connect to this seat 38.
  • the tool 10 In order to be able to harden and smooth a surface with the tool described above, the tool 10 must be made of a specific material and have an edge layer applied using a special method.
  • the base body 50 of the tool 10 must be made of a metal with a homogeneous, fine-grained structure. If you want to manufacture a thin tool with a diameter of approximately 2 to 12 mm, high-pressure sintered semi-finished products are used for this purpose, that is to say a carrier which was produced using the high-pressure sintering process.
  • High-performance high-speed steel (HSS) can be used for thicker tools. In all cases, however, a tool is produced whose diameter is approximately 40% larger than the diameter desired for the later working area 17, 26.
  • This hard layer together with the geometric shape of the tool 10 described above is essential for the quality of the hardness and smoothness of the treated Surface.
  • the aim at the end of the machining phases is a non-metallic hard layer on the outer wall, ie on the wall forming the so-called working surface of the tool.
  • This non-metallic hard layer 51 is, however, to be applied to a metallic carrier material 50, as described above.
  • a corresponding structure of the tool 10 is shown in FIG. 4.
  • the carrier material is designated with 50, which is produced with a homogeneous, fine-grained structure in the manner explained above. It is important here that the surface of the carrier material 50 is as smooth as possible and fulfills the dimensional accuracy over the entire length.
  • a thin, approximately 0.2 to 0.3 ⁇ m thick activation layer 52 is applied to the carrier material 50.
  • This activation layer 52 consists, for example, of platinum, palladium, tin, nickel, silver or gold. Of course, substance combinations of these substances with one another are also possible.
  • This activation layer 52 rests like a net on the entire outer surface of the carrier material 50, which means that the activation layer cannot close, that is to say it should not form a completely closed surface on the carrier material 50.
  • This activation layer 52 is applied electrolytically and chemically. This means that, compared to an electrolytic process (physical process), the electrolyte also fulfills an additional cleaning task.
  • the activation layer 52 is cohesive and represents a soft material. It is now cohesively connected to the material of the carrier 50 and should likewise be cohesively connected to the subsequent pure metal layer 44.
  • the ions of the activation layer 52 diffuse into the carrier material 50.
  • An elastic intermediate layer is thus obtained, which connects the activation layer 52 to the carrier material 50 like a network.
  • a pure metal Layer 53 for example of titanium, chromium, boron or tungsten.
  • This pure metal layer is applied by ion exchange and sputtering (PVD process, ie physical vapor deposition).
  • PVD process ie physical vapor deposition
  • the resulting layer in the arc is connected by melting. This continues until there is a minimum layer of 0.3 to 0.5 mm on the activation layer 52.
  • This pure metal layer 53 is thus cohesively connected to the carrier material 50 via the activation layer 52 and is also partly cohesively connected to the non-metallic hard layer 51 which builds up and is explained below.
  • carbon and / or nitrogen ions are added in a defined manner, so that the non-metallic hard layer 51 can build up via a transition layer 54.
  • the carbon or nitrogen ions are in the so-called PVD process (Physical
  • This non-metallic hard layer 51 then consists of a metal carbon nitrogen compound or metal carbon compound or metal nitrogen compound (nitride alloy). Using titanium as an example, the hard layer 51 could consist of TiN or Ti (CN).
  • an ion lubricating liquid described below In order to be able to process surfaces with the tool 10 described above, an ion lubricating liquid described below must be used. This liquid has the functions of lubricating, cooling and alloying the surface to be treated. So far, each of these three processes has its own, If coordinated liquid was used, the three tasks are now performed by only one liquid. Because of its composition and its function, the liquid is called an ion lubricating liquid.
  • This ion-lubricating liquid has a carrier liquid, which mainly consists of organic, low-acid oils, such as rapeseed oil. The rest of the ingredient is a synthetic mineral oil, such as low-acid, chlorine-free oil.
  • the viscosity of the ion lubricating liquid is set to be thin, ie in a range from 9 to 12 Ctst (centistock).
  • the exact composition depends on the material of the workpiece to be machined. This means that inorganic oils can also be used instead of the organic oils.
  • At least 15% by volume of fine carbon black and at least 17% by volume of fine graphite are now introduced into this ion-lubricating liquid prepared in this way.
  • This mixture is then filtered (particle size maximum 0.3 / f m) in order to maintain an ion-lubricating liquid which is as thin as possible.
  • a fine and uniform distribution of the two components mentioned above, fine carbon black and fine graphite must be ensured.
  • the ion lubricating liquid is now matched to the workpiece to be machined and thus to its alloying task.
  • various metal ions that can be alloyed well in the material of the workpiece to be machined, such as tin (Sn), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pl), nickel (Ni), are added.
  • the liquid thus produced is stirred and then applied to tool 10 in small quantities.
  • a drop of the ion-lubricating liquid can suffice here.
  • the surfaces can now be processed with the following method. A small amount of the ion-lubricating liquid is applied to the tool 10.
  • the tool 10 is then inserted into the bore with the insertion area 13 and the centering area 12.
  • the tool 10 is pushed through the bore with an extremely good centering into the bore using an automatic press.
  • a certain minimum speed is necessary to achieve heating in the surface structure of the bore. This heating is necessary because of the hard layer 51. Hard materials would tear when pushed through when cold.
  • a material compensation ie a filling of the machining grooves, is achieved when pushed through.
  • the ions released in the process are integrated into the material of the component. In this case, the ion lubricating liquid achieves a cohesive integration so that the components of the component surface "can no longer fall out".
  • the tool 10 is inserted into the bore until the seat of the tool 10 lies against the shoulder of the bore to be machined. Now the tool 10 is rotated several times and then pulled out of the hole again.
  • the tool described above with several stages is used in particular if the bore is not round or if the surface of the bore of the component is too rough.
  • the different stages must then be designed for the diameter of the bore, depending on the length of the bore to be machined.

Landscapes

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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

Es wird ein Werkzeug zur Behandlung der Oberflächen von Bauteilen vorgeschlagen, das mehrere unterschiedliche Bereiche aufweist, so daß mit Hilfe eines Werkzeugs gleichzeitig eine Härtung, Glättung und vor allem maßgenaue Bearbeitung von Oberflächen von Bauteilen möglich ist. Durch einfaches Durchschieben des Werkzeugs durch eine Bohrung kann z.B. die Oberfläche der Bohrung behandelt werden.

Description

Werkzeug zur Behandlung von Oberflächen von Bauteilen
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zur Behandlung von Ober¬ flächen von Bauteilen. Bisher wird die Bearbeitung von Oberflächen durch Honen (Ziehschleifen) oder Läppen mit Hilfe von Hon- oder Läppwerkzeugen durchgeführt. Für die Massenfertigung verwendet man halb- oder vollautomatisch arbeitende Honmaschinen. Hierbei wird die Oberfläche in einem mehrstufigen Prozeß bearbeitet. Die Anforde¬ rungen an eine Feinstbearbeitung von Oberflächen können aber nicht erfüllt werden. Es bleiben zu viele Risse und Riefen zurück, so daß die behandelte Oberfläche relativ störanfällig ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Werkzeug mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die bearbeitete Oberfläche nicht spanabhebend, sondern werkstoffverdichtend und werkstoffschließend bearbeitet wird. Dadurch wird ein Härtungs-, Glättungs- und Verdichtungsprozeß der Oberfläche durchgeführt. Die erreichte Maßgenauigkeit des bearbeiteten Bauteils liegt weit über der im bisherigen Verfahren erreichten. Da die Oberfläche kaum Rillen aufweist, ist die behandelnde Oberfläche nahezu korrosionsunan- fällig. Dadurch haben die bearbeiteten Bauteile eine relativ hohe Lebensdauer.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen und Merkmale sind besondere Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Werkzeugs beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Zeich¬ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er¬ läutert. Es zeigen die Figur 1 einen Längsschnitt durch das erfin¬ dungsgemäße Werkzeug in schematischer Darstellung, wobei die ein¬ zelnen Bereiche zur Verdeutlichung nicht maßStabsgetreu dargestellt sind. In den Figuren 2 und 3 sind Abwandlungen nach dem Ausführungs- beispiel nach Figur 1 dargestellt, und in der Figur 4 ist ein schichtartiger Aufbau der Hartschicht auf den Grundwerkstoff des Werkzeuges gezeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist mit 10 ein Werkzeug bezeichnet, das zur gleich¬ zeitigen Glättung und Härtung von Oberflächen geeignet ist. In Ar¬ beitsrichtung gesehen, die in der Figur 1 mit dem Pfeil 11 gekenn¬ zeichnet ist, hat das Werkzeug 10 am Anfang einen Zentrierbereich 12. Dieser Zentrierbereich 12 weist einen konisch verlaufenden Ein¬ führbereich 13 auf, der etwa eine Schräge von ca. 7° aufweist. Der Einführbereich 13 dient dazu, um das Werkzeug ohne Beschädigung, z.B. in eine Bohrung, einzuführen. Zur Erläuterung ist im folgenden dann immer auf eine Bohrung eingegangen. Der Übergang vom Einführbe¬ reich 13 in den Zentrierbereich 12 weist einen Feinstradius auf. Dies ist notwendig, um eine Beschädigung der zu bearbeitenden Ober¬ fläche zu verhindern. Der Zentrierbereich 12 selbst ist zylindrisch ausgebildet. Wichtig ist aber, daß die Achse des Werkzeugs 10 und die Achse der Bohrung zusammenfallen, so daß das Werkzeug 10 nicht in der Bohrung verkantet.
An den Zentrierbereich 12 schließt sich ein Einlaufbereich 15 an, der eine Schräge aufweist. Die Steigung dieser Schräge liegt zwischen 0,7° und 2,3°. Sie ist abhängig vom Werkstoff des Werkzeugs als auch vom Werkstoff des zu bearbeitenden Bauteils, d.h. hier z.B. eines Ventils, in dem die Bohrung ausgebildet ist. Die Werte der Steigung sind zur Zeit noch empirisch zu ermitteln. Dieser Einlaufbereich 15 dient dazu, um ein Undefiniertes Abschaben durch den sich an¬ schließenden Arbeitsbereich 17 am Beginn der Bohrung zu verhindern. Vom Einlaufbereich 15 führt ein Tangentialbereich 18 zum Arbeitsbe¬ reich 17. Der Verlauf des Tangentialbereichs 18 entspricht nahezu einem großen Radius, so daß er einer Tangente entsprechen würde. Dieser Tangentialbereich 18 ist notwendig, um einen kantigen Über¬ gang vom Einlaufbereich 15 auf den Arbeitsbereich 17 zu vermeiden. Durch die radiusartige Ausbildung des Tangentialbereichs 18 wird be¬ reits eine Verdichtung des Materials des zu bearbeitenden Bauteils bewirkt. Im Unterschied zu einem, wie oben ausgeführt, nicht er¬ wünschten kantigen Übergang, wird durch den Radius des Tangentialbe¬ reichs 18 keine Verschiebung des Materials des Werkstoffs im Mikro- bereich in Bewegungsrichtung 11 des Werkzeugs 10 bewirkt, sondern das Material wird weitgehend radial nach außen, d.h. senkrecht oder unter 90° zur Bewegungsrichtung 11 verschoben. Der Radius des Tangentialbereichs 18 ist abhängig vom Material des Bauteils und auch abhängig vom Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser des Werkzeugs 10. Der sich nun anschließende, eigentliche Arbeitsbereich 17 besteht aus einem zylindrischen Bereich, wobei der Durchmesser bis etwa 0,2% größer als der gewünschte Durchmesser der zu bearbeitenden Bohrung ist. Dieses Aufmaß ist abhängig vom Material des Bauteils und der Länge der Bohrung. Die Breite dieses Arbeitsbereichs 17 am Werkzeug 10 entspricht in etwa 0,4% des bearbeiteten Durchmessers der Boh¬ rung. An den Arbeitsbereich 17 schließt sich ein Erholungsbereich 20 an, der kurvenförmig ausgebildet ist. Er dient zur Erholung für das vom Arbeitsbereich 17 bearbeitete Material des Bauteils. Die Erho¬ lungsphase findet im Mikrobereich der Oberfläche der Bohrung des Bauteils statt. Das Material des Bauteils kann sich im Erholungsbe¬ reich 20 wieder geringfügig verteilen.
Nach dem Erholungsbereich 20 ist eine Sammelmulde 22 für Fremdkörper vorhanden, die sich durch die vorausgegangene mechanische Vorbehand¬ lung in der Bohrung befinden. Hierbei kann es sich z.B. um Schleif- körner handeln oder um sonstige Verschmutzungen oder um verbrauchte Bestandteile der Flüssigkeit, die, wie weiter unten noch erwähnt wird, zur Glättung der Oberfläche der Bohrung mit Hilfe des Werk¬ zeugs 10 verwendet wird. Die Sammelmulde 22 ist radiusförmig ausge¬ bildet, wobei der Radius abhängig ist vom Durchmesser und der Länge des Werkzeugs. Ein kontinuierlicher Übergang vom Erholungsbereich 20 in die Sammelmulde 22, wie bei einer zusammengesetzten Kurve bei mathematischer Betrachtung, ist für eine beschädigungsfreie Rückbe¬ wegung des Werkzeugs aus der Bohrung wichtig. Der sich anschließende Bereich 24 entspricht in seiner Form, Wirkung und Aufgabe dem Er¬ holungsbereich 20. Würde man durch das Minimum, d.h. durch den tiefsten Punkt der Sammelmulde 22 eine gedachte Spiegelachse legen, so würde der Übergang von der Sammelmulde 22 in den Bereich 24 und der Bereich 24 selbst eine spiegelbildliche Wiederholung des Er¬ holungsbereichs 20 und des Übergangs vom Erholungsbereich 20 in die Sammelmulde 22 darstellen. Dies bedeutet auch, daß der Be¬ reich 22 kontinuierlich in einen zweiten Arbeitsbereich 26 übergeht, und zwar so, wie der Arbeitsbereich 17 in den Erholungsbereich 20 übergeht. Dieser Arbeitsbereich 26 hat nur noch ca. 60% der Länge des Arbeitsbereichs 17. Der Durchmesser entspricht aber genau dem Durchmesser des Arbeitsbereichs 17. Bis auf die Länge der Arbeitsbe¬ reiche 26 und 17 stellen die Bereiche Übergang von der Sammelmulde 22 in den Bereich 24, der Bereich 24 selbst, der Arbeitsbereich 26 eine spiegelbildliche Wiederholung der Bereiche 17, 20, 22 dar. Der Arbeitsbereich 26 und die zwischen den Arbeitsbereichen 17 und 26 liegenden Bereiche wiederholen sich nun identisch so oft, bis die Länge des zu bearbeitenden Teils erreicht ist. Die sich wiederho¬ lenden Arbeitsbereiche 26 weisen alle 60% der Länge des ersten Ar¬ beitsbereichs 17 auf. An den letzten Arbeitsbereich 26 schließt sich ein Auslaufbereich 30 an, dessen Steigung einen geringfügig größeren Steigungswinkel als der Einführbereich 15 aufweist. Der Steigungs¬ winkel liegt zwischen 3° und 7°. Er dient wieder als Ausdehnungsbe- reich für den soeben bearbeiteten Werkstoff des Bauteils.
Der Übergang vom Auslaufbereich 30 in den Auslaufzylinder 32 ist ra- diusförmig, um so eine Bruchgefahr für das Werkzeug zu vermeiden. Die Länge des Auslaufzylinders 32 entspricht etwa 60% des Zentrier¬ bereiches 12. Der Durchmesser des AuslaufZylinders 32 ist etwa 0,5% bis 1% geringer als der Durchmesser des Arbeitsbereiches 17 oder 26. Dies bedeutet auch, daß der Durchmesser des Auslaufzylinders 32 kleiner ist als der Durchmesser des Zentrierbereichs 12. Im Einzel¬ fall kann er aber auch gleich groß sein.
Den Abschluß des Werkzeugs 10 bildet eine Kalotte 34, die zur Kraft¬ einleitung und Kraftübertragung der Vorschubbewegung für das Werk¬ zeug 10 in Richtung des Pfeils 11 dient. Die Kalotte 34 ist dabei so auszubilden, daß eine punktförmige Krafteinleitung, z.B. mit Hilfe einer automatischen Presse möglich ist. Der Radius ist empirisch er¬ mittelt und abhängig von der Länge und vom Durchmesser des Werkzeugs 10. Unter mathematischer Betrachtungsweise hat die Kalotte 34 bei kleinerem Durchmesser des Werkzeugs 10 die Form eines Korbbogens, was bedeutet, daß die Seitenflächen der Kalotte 34 steiler verlaufen als bei einer radiusförmigen Ausbildung. Dies ist insbesondere bei Werkzeugen mit größerer Länge und kleinerem Durchmesser notwendig. Ferner wäre die Kalotte 34 spiegelbildlich zu einer durch die Spitze der Kalotte 34 verlaufenden gedachten Spiegelachse auszubilden.
Die oben beschriebenen Bereiche des Werkzeugs stellen die wesent¬ lichen Abschnitte dar, die unabhängig von der Verwendung des Werk¬ zeugs immer vorhanden sind. Wird nun das Werkzeug dazu verwendet, eine durchgehende Bohrung zu bearbeiten, so ist der Zentrierbereich 12, wie oben beschrieben, direkt am Werkzeug ausgebildet. Alternativ könnte ein Zentrierberich am zu bearbeitenden Bauteil angebracht sein. An dem Zentrierbereich 12 schließen sich noch der oder die Ar¬ beitsteile des Werkzeugs an. Er besteht aus dem Arbeitsbereich 17 bis zum Arbeitsbereich 26, wobei sich dieser Arbeitsteil mehrfach wiederholt. Wie bereits oben erwähnt, ist dann nach der ersten Wie¬ derholung der Arbeitsbereich 26 immer gleich lang, hat aber jeweils nur 60% der Länge des ersten Arbeitsbereichs 17, der sich an den Einlaufbereich 15 anschließt. Der Arbeitsteil besteht nun aus meh¬ reren Stufen, wobei die Arbeitsbereiche 17 und 26 der einzelnen Stufen jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen. Hierbei nimmt der Durchmesser von Stufe zu Stufe nicht linear zu, sondern die Zu¬ nahme der Durchmesser der Arbeitsbereiche 17, 26 bzw. 17a, 26a ist über die gesamte Länge des Werkzeugs kurvenförmig und hat z.B. die Form einer logarithmischen oder einer potentiell verlaufenden Kurve. Der genaue Verlauf für das Werkzeug ist empirisch ermittelt worden. Die letzte Stufe, d.h. der Arbeitsbereich 26 ist dann dem Durch¬ messer der bearbeiteten Bohrung mit dem notwendigen Gesamtaufmaß (das Aufmaß nimmt ebenfalls pro Stufe zu) angepaßt. An diesen Ar¬ beitsbereich 26 schließt sich der Auslaufbereich 30, der Auslaufzy¬ linder 32 und die Kalotte 34 an.
In einer Variation des Werkzeugs kann dieses auch zur Bearbeitung einer Sacklochbohrung verwendet werden. Hierbei ist es notwendig, das Werkzeug wieder aus der Sacklochbohrung herauszuziehen, was einen Bereich erfordert, der zum Angriff eines geeigneten Werkzeugs geeignet ist. Es ist hierzu zwischen dem Auslaufzylinder 32 und der Kalotte 34 ein Mitnahmebereich 36 angeordnet. Dieser Mitnahmebereich 36 ist z.B. als Zweiflachkant oder als Vierflachkant ausgebildet. Für ein sicheres Herausziehen des Werkzeugs 10 ist die Oberfläche des Mitnahmebereichs 36 mit einer bestimmten Rauigkeit auszuführen.
Bei einer anderen Variation können mit Hilfe des Werkzeugs auch Sitze und Schultern in der Bohrung ausgebildet werden. Hierzu hat das Werkzeug nach dem Arbeitsbereich 26 einen Sitz 38, der dem Maß des gewünschten Sitzes in der Bohrung entspricht. Die Schräge des Sitzes 38 ist, abhängig vom Werkstoff des Bauteils um etwa 0,5% größer als die Schräge des zu schaffenden Sitzes (dies ist notwendig wegen dem Zurückfedern des Werkstoffs und des Bauteils). An diesem Sitz 38 würde sich dann der AuslaufZylinder 32 anschließen.
Selbstverständlich wäre es auch denkbar, um den Sitz von Einspritz- entilen zu bilden, den Sitz vor dem Einführbereich 13 und vor dem Zentrierbereich 12 auszubilden. Beide Bereiche 13 und 12 werden bei dem vorgeschobenen Sitz 40 in der Länge sehr klein oder können wie in Figur 3 gezeigt, entfallen. Es würden sich nun die Arbeitsbe¬ reiche 17 und die nachfolgenden, wie oben beschriebenen Bereiche anschließen. Ferner könnte auch ein gestufter Arbeitsbereich mit einem zur Ausbildung eines Sitzes geeigneten Sitz verwendet werden. Die oben beschriebenen Arbeitsbereiche und gegebenenfalls Sitze können in beliebiger Weise miteinander an einem Werkzeug kombiniert werden.
Um mit dem oben beschriebenen Werkzeug eine Oberfläche härten und glätten zu können, muß das Werkzeug 10 aus einem bestimmten Material hergestellt sein und eine mit einem besonderen Verfahren aufge¬ brachte Randschicht aufweisen. Der Grundkörper 50 des Werkzeugs 10 muß aus einem Metall mit einem homogenen, feinkörnigen Gefüge be¬ stehen. Will man ein dünnes Werkzeug etwa mit einem Durchmesser von 2 bis 12 mm herstellen, so verwendet man hierzu Hochdrucksinterhalb¬ zeuge, d.h. einen Träger, der im Hochdrucksinterverfahren herge¬ stellt wurde. Für dickere Werkzeuge kann Hochleistungsschnell- schnittstahl (HSS) verwendet werden. In allen Fällen wird aber ein Werkzeug hergestellt, dessen Durchmesser etwa um 40% größer ist als der für den späteren Arbeitsbereich 17, 26 gewünschte Durchmesser. In diesen über den gewünschten Durchmesser hinausgehenden Bereich befinden sich Verschmutzungen und Entkohlungen, die bei der Her¬ stellung des Halbzeugs, sowohl für ein dickes oder für ein dünnes Werkzeug, entstehen. Dieser 40%ige Überhang des Durchmessers wird mechanisch, d.h. z.B. durch Fräsen entfernt. Die dann entstehende Oberfläche sollte aber möglichst glatt sein. Nach dem Abfräsen er¬ hält man einen im Zentrum relativ homogenen Träger- bzw. Grundwerk¬ stoff 50. Ferner wird durch diese mechanische Bearbeitung der ver¬ bleibende Werkstoff für das Werkzeug verdichtet. Dies bedeutet, daß die Körner noch besser miteinander verschmelzen, so daß ein noch dichteres Gefüge entsteht. Dieses so hergestellte Halbzeug für das Werkzeug dient als Ausgangsmaterial für das Erzeugen bzw. Aufbringen einer Nichtmetallischen-Hartschicht 51. Diese Hartschicht ist zu¬ sammen mit der oben beschriebenen geometrischen Form des Werkzeugs 10 wesentlich für die Qualität der Härte und der Glätte der behan¬ delten Oberfläche. Angestrebt ist am Ende der Bearbeitungsphasen eine Nichtmetallische Hartschicht auf der Außenwand, d.h. auf der die sogenannte Arbeits¬ fläche des Werkzeugs bildende Wand. Diese Nichtmetallische-Hart- schicht 51 ist aber auf einem metallischen Trägerwerkstoff 50, wie er oben beschrieben ist, aufzubringen. Ein entsprechendes Aufbau des Werkzeugs 10 ist in der Figur 4 dargestellt. Hier ist mit 50 der Trägerwerkstoff bezeichnet, der mit einem homogenen, feinkörnigen Gefüge in der oben erläuterten Weise hergestellt ist. Wichtig ist hierbei, daß die Oberfläche des Trägerwerkstoffs 50 möglichst glatt ist und über die gesamte Länge die Maßhaltigkeit erfüllt. Auf den Trägerwerkstoff 50 ist eine dünne, ca. 0,2 bis 0,3 - m dicke Akti¬ vierungsschicht 52 aufgebracht. Diese Aktivierungsschicht 52 besteht z.B. aus Platin, Paladium, Zinn, Nickel, Silber oder Gold. Natürlich sind auch Stoffverbindungen von diesen Stoffen untereinander mög¬ lich. Diese Aktivierungsschicht 52 liegt netzartig auf der gesamten Außenfläche des Trägerwerkstoffs 50 auf, was bedeutet, daß die Akti¬ vierungsschicht nicht schließen kann, also keine völlig geschlossene Oberfläche auf dem Trägerwerkstoff 50 bilden soll. Diese Aktivie¬ rungsschicht 52 wird elektrolytisch-chemisch aufgebracht. Dies be¬ deutet, daß gegenüber einem elektrolytischen Verfahren (physikali¬ sches Verfahren) der Elektrolyt eine zusätzliche Reinigungsaufgabe mit erfüllt.
Die Aktivierungsschicht 52 ist kohäsiv und stellt einen Weichwerk¬ stoff dar. Sie ist nun kohäsiv mit dem Werkstoff des Trägers 50 ver¬ bunden und soll ebenfalls kohäsiv mit der nachfolgenden Reinmetall¬ schicht 44 verbunden werden. Hierbei diffundieren die Ionen der Ak¬ tivierungsschicht 52 in den Trägerwerkstoff 50 ein. Man erhält da¬ durch eine elastische Zwischenschicht, die wie ein Netz die Akti¬ vierungsschicht 52 mit dem Trägerwerkstoff 50 verbindet. An¬ schließend wird auf der Aktivierungsschicht 52 eine Reinmetall- Schicht 53, z.B. von Titan, Chrom, Bor oder Wolfram aufgebracht. Diese Reinmetallschicht wird durch Ionenaustausch und Sputtern (PVD-Verfahren, d.h. physikal vapour deposition) aufgebracht. Gleichzeitig wird im Lichtbogen die entstehende Schicht durch Schmelzen verbunden. Dies geschieht so lange, bis eine Mindest¬ schicht von 0,3 bis 0,5 _x m auf der Aktivierungsschicht 52 vor¬ handen ist. Diese Reinmetallschicht 53 ist somit kohäsiv mit dem Trägerwerkstoff 50 über die Aktivierungsschicht 52 verbunden und ist auch teilkohäsiv mit der im folgenden erläuterten sich aufbauenden Nichtmetallischen-Hartschicht 51 verbunden.
Hat die Reinmetallschicht 53 ihre Mindestschichtdicke erreicht, werden in definierter Weise Kohlenstoff- und/oder Stickstoffionen dazugegeben, so daß sich über eine Übergangsschicht 54 die Nichtmetallische-Hartschicht 51 aufbauen kann. Die Kohlenstoff¬ bzw. Stickstoffionen werden im sogenannten PVD-Verfahren (Physical
-3 Vapour Deposition) im Vakuum z.B. bei mindestens 10 bar oder
Hochvakuum durchgeführt. Hierbei wird der Anteil der zugeführten Komponenten Stickstoff und Kohlenstoff radial nach außen gesehen, d.h. zur Nichtmetallischen-Hartschicht 51 hin immer größer. Der Übergangsbereich 54 schließt dann mit der homogenen Nichtme¬ tallischen-Hartschicht 51 ab, die eine Dichtheit von ca. 95% bis 98% besitzt. Diese Nichtmetallische-Hartschicht 51 besteht dann aus einer Metallkohlenstoff-Stickstoffverbindung bzw. Metallkohlenstoff- Verbindung bzw. Metallstickstoffverbindung (Nitridlegierung) . Am Beispiel Titan könnte die Hartschicht 51 aus TiN oder Ti(CN) bestehen.
Um mit dem oben beschriebenen Werkzeug 10 Oberflächen bearbeiten zu können, muß eine im folgenden beschriebene Ionen-Schmier-Flüssigkeit verwendet werden. Diese Flüssigkeit hat die Aufgaben Schmierung, Kühlung und Legierung der zu behandelnden Oberfläche. Während bisher für jeden dieser drei Vorgänge eine eigene, auf die jeweilige Auf- gäbe abgestimmte Flüssigkeit verwendet wurde, werden die drei Aufgaben nun nur noch von einer Flüssigkeit erfüllt. Aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihrer Aufgabe wird die Flüssigkeit als Io- nen-Schmier-Flüssigkeit bezeichnet. Diese Ionen-Schmier-Flüssigkeit hat eine Trägerflüssigkeit, die überwiegend aus organischen, säure- armen ölen, wie z.B. Rappsöl besteht. Der restliche Bestandteil ist ein synthetisches Mineralöl, z.B. säurearmes chlorfreies öl. Auf¬ grund der Kombination der beiden obengenannten Bestandteile wird die Viskosität der Ionen-Schmier-Flüssigkeit auf dünnflüssig, d.h. in einem Bereich von 9 bis 12 Ctst (Centistock) eingestellt. Die genaue Zusammensetzung ist abhängig von dem Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks. Das heißt, daß statt der organischen Öle auch anorga¬ nische Öle verwendet werden können. In diese so vorbereitete Io¬ nen-Schmier-Flüssigkeit wird nun mindestens 15 Volumenprozent Fein¬ ruß und mindestens 17 Volumenprozent Feingraphit eingebracht. An¬ schließend wird dieses Gemisch gefiltert (Korngröße maximal 0,3 /fm) , um eine möglichst dünnflüssige Ionen-Schmier-Flüssigkeit beizubehal¬ ten. Ferner muß eine feine und gleichmäßige Verteilung der beiden obengenannten Bestandteile, Feinruß und Feingraphit gewährleistet sein.
Im folgenden wird nun die Ionen-Schmier-Flüssigkeit auf das zu bear¬ beitende Werkstück und somit auf seine Legierungsaufgabe abgestimmt. Dies bedeutet, daß verschiedene Metall-Ionen, die im Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks gut legierbar sind, wie z.B. Zinn (Sn) , Gold (Au), Silber (Ag) , Paladium (Pl) , Nickel (Ni) zugegeben werden. Die so hergestellte Flüssigkeit wird gerührt und anschließend in ge¬ ringen Mengen auf das Werkzeug 10 aufgetragen. Hierbei kann bereits ein Tropfen der Ionen-Schmier-Flüssigkeit ausreichen. Mit Hilfe des oben, sowohl bezüglich Geometrie als auch Zusammensetzung beschrie¬ benen Werkzeugs 10 und der Ionen-Schmier-Flüssigkeit können nun die Oberflächen mit dem nachfolgenden Verfahren bearbeitet werden. Auf das Werkzeug 10 wird eine geringe Menge der Ionen-Schmier- Flüssigkeit aufgegeben. Anschließend wird das Werkzeug 10 in die Bohrung mit dem Einführbereich 13 und den Zentrierbereich 12 eingeführt. Das Werkzeug 10 wird hierbei mit einer äußerst guten Zentrierung in die Bohrung mit Hilfe einer automatischen Presse durch die Bohrung hindurchgeschoben. Hierbei ist eine bestimmte Min¬ destgeschwindigkeit notwendig, um ein Erwärmen in der Oberflächen¬ struktur der Bohrung zu erreichen. Diese Erwärmung ist wegen der Hartschicht 51 notwendig. Harte Werkstoffe würden im kalten Zustand beim Durchschieben reißen. Hingegen bei Erwärmung wird beim Durchschieben ein Werkstoffausgleich, d.h. ein Auffüllen der Bear¬ beitungsrillen erreicht. Aufgrund der Ionen-Schmier-Flüssigkeit ent¬ steht wenig Reibung, wenn die Hartschicht 51 des Werkzeugs 10 über ungleiche Stellen der Bohrung hinweggeht. Die dabei frei werdenden Ionen werden in den Werkstoff des Bauteils eingebunden. Hierbei wird durch die Ionen-Schmier-Flüssigkeit eine kohäsive Einbindung er¬ reicht, damit die Bestandteile der Bauteil-Oberfläche "nicht mehr herausfallen" können.
Bei der Variante mit dem zu bildenden Sitz wird das Werkzeug 10 so¬ weit in die Bohrung eingeführt, bis der Sitz des Werkzeugs 10 an der zu bearbeitenden Schulter der Bohrung anliegt. Nun wird das Werkzeug 10 mehrmals gedreht und anschließend wieder aus der Bohrung heraus¬ gezogen.
Das oben beschriebene Werkzeug mit mehreren Stufen wird insbesondere verwendet bei Unrundheiten der Bohrung oder bei zu großer Rauigkeit der Oberfläche der Bohrung des Bauteiles. Die unterschiedlichen Stu¬ fen müssen dann je nach Länge der zu bearbeitenden Bohrung zum Durchmesser der Bohrung ausgelegt sein.

Claims

Ansprüche
1. Werkzeug zur Behandlung von Oberflächen von Bauteilen, insbeson¬ dere von Bohrungen, Wellen etc., insbesondere zur Glättung, Härtung, mit einem Einführbereich (13), einem Einlaufbereich (15), der eine Schräge aufweist, einem Tangentialbereich (18), der nahezu ohne Übergang in einen ersten zylindrischen Arbeitsbereich (17) über¬ führt, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des zu bear¬ beitenden Bauteils ist, mindestens einem kurvenförmigen Erholungsbe¬ reich (20), mindestens einer Mulde (22), mindestens einem zweiten Erholungsbereich (24) und mindestens einem zweiten Arbeitsbereich (26) , wobei dessen Durchmesser etwa 60% des Durchmessers des ersten Arbeitsbereichs (17) beträgt, mit einem Auslaufbereich (30), der einen größeren Steigungswinkel als der Einlaufbereich (15) aufweist, mit einem Auslaufzylinder (32) und mit einer Kalotte (34) .
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einführbereich (13) und dem Einlaufbereich (15) ein zylindri¬ scher Zentrierbereich (12) vorhanden ist, dessen Achse mit der Achse des zu behandelnden Bauteils zusammenfällt.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zen¬ trierbereich (12) in etwa 30% bis 40% der Länge des Bauteils beträgt.
4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Einführbereich (13) durch einen Hochdrucksitz ersetzt wird, wobei die Schräge des Sitzes größer oder kleiner als der er¬ wünschte Sitz des Bauteils ist.
5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß sich nach dem zweiten Arbeitsbereich (26) ein Hochdrucksitz anschließt, der den Auslaufbereich (30) ersetzt, so daß der Hoch¬ druckdichtsitz in den Auslaufzylinder (32) übergeht.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Kalotte (34) korbbogenförmig ausgeführt ist.
7. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen von Bauteilen mit Hilfe eines Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Achsen des Werkzeugs und des zu bearbeitenden Bau¬ teils achsgleich zueinander in einer Aufnahme fixiert werden, daß das Werkzeug relativ zum zu bearbeitenden Bauteil zur Erwärmung der Oberfläche des Bauteils mit einer Mindestgeschwindigkeit bewegt wird, so daß die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils mit zuge¬ führten, metallischen Fremdionen legiert werden kann.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichne , daß der vor der Relativbewegung des Werkzeugs zum Bauteil auf das Werkzeug min¬ destens im Einlaufbereich (15) ein metallische Fremdionen enthal¬ tendes, flüssiges Schmiermittel aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Relativbewegung des Werkzeugs zum Bauteil die Sitzkante des Bauteils erreicht wird, und daß das Werkzeug mindestens um 360° mit gleichbleibendem Druck und Geschwindigkeit um die Achse gedreht wird.
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