WO2010102805A1 - Verfahren zur feinbearbeitung von bohrungen, beabeitungswerkzeug und bearbeitungsmaschine hierfür sowie werkstück - Google Patents

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WO2010102805A1
WO2010102805A1 PCT/EP2010/001501 EP2010001501W WO2010102805A1 WO 2010102805 A1 WO2010102805 A1 WO 2010102805A1 EP 2010001501 W EP2010001501 W EP 2010001501W WO 2010102805 A1 WO2010102805 A1 WO 2010102805A1
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friction
machining
bore
workpiece
light metal
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PCT/EP2010/001501
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Inventor
Josef Schmid
Original Assignee
Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg
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    • 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
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • 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
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/08—Honing tools

Definitions

  • the invention relates to a method for fine machining an inner surface of a bore in a workpiece, which consists essentially of a light metal material at least in the region of the bore, in particular for machining a cylinder surface in the manufacture of engine blocks for internal combustion engines, a processing tool that can be used to carry out the method for the implementation of the method suitable processing machine as well as a producible by the process workpiece.
  • the cylinder surfaces in engine blocks of internal combustion engines are subjected to strong tribological stress during operation of the internal combustion engine. Therefore, it is important in the manufacture of engine blocks to process these and other tribologically stressable surfaces, such as sliding bearings in connecting rod bores, so that later under all operating conditions sufficient lubrication is ensured by an oil film and that the frictional resistance of relatively moving parts and the wear during operation are kept as low as possible.
  • the finishing of tribologically stressable internal bore surfaces in engine construction is generally carried out with a suitable refining
  • a method of operation in which, during at least one machining operation, a machining tool executes a working movement within the bore to be machined, and at least one machining element attached to the machining tool mechanically acts on the inner surface.
  • honing stones or honing stones are provided which enable a machining with geometrically indefinite cutting edge.
  • honing is created by a simultaneous rotational movement and lifting movement of the honing tool a typical for this process cross-cutting pattern on the inner surface to be machined, which is important for the carrying and lubricating properties of the machined workpiece.
  • the macro shape of the bore is approximated to the desired desired shape by honing usually.
  • Overutilized aluminum-silicon casting alloys form hard primary silicon precipitates upon solidification, which are exposed during machining of the cylinder liners, resetting the softer metallic matrix so that the piston rings can slide on the primary silicon crystals.
  • Cylinder surfaces manufactured in this way have a high wear resistance and provide sufficient holding volume for oil. Finishing methods for machining such cylinder surfaces in the manufacture of engine blocks and crankcases are given, for example, in EP 0 818 271 B1 and the documents cited therein.
  • Hypereutectic Al-Si alloys are also used to make cylinder liners which are inserted into a crankcase made of another light metal material and then finish machined.
  • the patent application DE 10 2006 005 193 A1 describes crankcase of a hypoeutectic aluminum alloy with an inserted cylinder liner of a hypereutectic aluminum alloy.
  • the crankcase material does not have to have the required properties for a cylinder tread material but can be selected for its suitability as a crankcase material.
  • the mechanical strength increases and the casting process is simplified compared to over-eutectic alloys.
  • sub-eutectic Al-Si alloys i.a. because of an increased tendency to seize, considered not suitable for the formation of cylinder surfaces.
  • Magnesium alloys are also used as lightweight materials in engine construction, e.g. in combination with aluminum alloys for the production of magnesium-aluminum composite crankcases (see EP 1 433 552 A1).
  • an improved wear resistance of the machined inner surfaces is to be achieved in the intended use.
  • This object is achieved by a method having the features of claim 1, and by a machining tool having the features of claim 19 or a machining machine having the features of claim 27.
  • the inner surface of a bore is finished in a workpiece, wherein the workpiece, at least in the region of the bore adjacent to the inner surface, essentially consists of a There is a light metal material.
  • the method includes a friction consolidation operation.
  • a machining tool having at least one friction element is used which has a contact surface or effective surface provided for rubbing contact with the inner surface.
  • the friction element is moved over the inner surface at a relative speed with respect to the inner surface and under a friction-promoting pressure in such a way that under the influence of sliding friction and pressure in the area of the inner surface a friction-strengthening layer essentially induced by sliding friction and pressure is produced.
  • a more or less thick near-surface layer is generated in the near-surface zone of influence due to structural transformation or structural change of the light metal material, which has greater strength and possibly greater hardness than the underlying bulk material and thus the desired inner surface, compared to unprocessed surfaces gives improved tribological properties. It is thus produced a surface material with improved tribological properties.
  • the layer produced is also referred to in this application as a "friction hardening layer".
  • a peculiarity of the Reibverfestists harsh produced is that they - in contrast to subsequently applied coatings (coatings) - chemically, ie in terms of their composition, may be substantially identical to the underlying bulk material.
  • the layer structure can be transformed into the structure of the bulk material in a more or less sharply defined transition zone.
  • the bond between the light metal material in the layer and the underlying light metal material is usually not weaker than the internal binding forces in the bulk material, as the Layer is produced from the light-metal material of the workpiece by structural transformation.
  • Typical sheath thicknesses of the surface layer produced in the rubbing consolidation operation may be in the range of one or more micrometers, or even greater, for example in the range of one to several tens of millimeters.
  • layer thicknesses in the order of up to one millimeter or more are possible.
  • the near-surface layer is preferably produced by non-cutting sliding of the at least one friction element on the surface.
  • an influence zone is heated and / or deformed in the region near the surface in such a way that a microstructure transformation occurs in a near-surface layer of the light metal material, which gives the surfaces processed by the rubbing consolidation operation an improved hardness and strength compared to the unprocessed surface.
  • the rubbing consolidation operation can result in surface hardening and solidification of a near-surface layer without significantly changing the dimension of the bore (particularly diameter and shape).
  • the processing parameters of the friction consolidation operation are adjusted to induce strain hardening of the light metal material in a layer adjacent the inner surface of the bore.
  • strain hardening an increase in strength of the light metal material, which occurs in a plastic deformation of the light metal material in the largely cold state.
  • the temperatures present in the vicinity of the inner surface of the lightweight material are typically far below the material-specific melting temperature T s .
  • the temperatures may, for example, be in the range of less than 150 ° C. or less than 100 ° C.
  • the polycrystalline light metal material has within its crystallites (grains) sliding possibilities as well as construction errors, which cause dislocations within the crystal structure.
  • the shear stresses which occur due to the external action of force on the crystal lattice can lead to the sliding of entire crystal areas onto slip planes and to the movement of dislocations.
  • the dislocations can migrate to the grain boundaries of the crystals, accumulating and multiplying there, and depending on their arrangement and density, can block further deformations of the crystal material. This effect then leads to the desired increase in strength, whereby normally at the same time the ductility (ductility) decreases. If cold compaction is to be induced by the friction hardening operation, the forces and movements necessary for inducing these processes must thus be applied with the aid of the friction element.
  • the work hardening working tool is rotationally rotated during the rubbing operation so that the rotation direction of the work tool is changed several times during the period of the rubbing operation, so that the work tool is reciprocated in the bore.
  • a working movement involving such an oscillating left-right rotation leads particularly quickly to a strong surface hardening. It can be superimposed on a possibly oscillating stroke movement, but what is often not necessary.
  • a mechanical friction mediated by sliding friction appears favorable.
  • the machining parameters are adjusted so that a considerable amount of frictional heat is generated and under the action of frictional heat in the region of the inner surface is generated substantially by sliding friction heat induced surface hardening. In this case, therefore, a substantially thermally induced microstructure transformation is produced, which can also lead to a near-surface layer whose strength is significantly greater than the strength of the underlying, not thermally converted or influenced volume material.
  • temperatures T can be generated which are significantly higher than the temperatures occurring during operation of the workpiece.
  • the temperature may reach at least 50% of the material specific melting temperature Ts of the light metal material, ie T> 0.5 Ts, in phases (typically one or more seconds).
  • the light metal material is at least partially melted during the friction consolidation operation in the region of the inner surface under the influence of the generated frictional heat and subsequently solidifies.
  • the Reibverfest Whilesoperation is performed for this purpose that the light metal material is heated by the frictional heat over a certain period of time to temperatures above the material-specific melting temperature T s .
  • the temporal temperature profile ie the temperature-time profile during Reibverfest onlysoperation, can be controlled, for example so that increase by the melting following solidification compressive stresses in the Rohnnaht Anlagen and thereby increases the mechanical strength, eg the fatigue strength of the bore.
  • a hardening can be produced, resulting in an increased wear resistance of the machined inner surface.
  • the extent of the heating can be influenced by influencing the process parameters, in particular by selecting suitable friction elements, the setting of the movement speed or the speed profile for the movement of the friction elements and the duration of the engagement time.
  • it may range from eutectic aluminum-silicon alloy (eutectic temperature at approx. 577 ° C) for superficial melting when If the near-surface temperature is increased to 580 ° to 600 ° C. or above, significantly higher near-surface temperatures or longer intervention times may be required for the melting of larger volumes of supereutectic aluminum alloys, for example about 850 ° or above for complete melting of hypereutectic Al-Si. Alloys with approx. 30 wt.% Silicon.
  • hypoeutectic aluminum alloys For the partial melting of hypoeutectic aluminum alloys in turn lower temperatures, which may be just above the eutectic temperature, for example in the range between 600 0 C and 650 0 C. Pure aluminum (melting point at about 660 0 C) can be processed with appropriate process guidance and thereby melted superficially.
  • lower temperatures for example, about 460 0 C for a eutectic magnesium-aluminum alloy with about 33 wt.% Aluminum range.
  • a particularly great increase in the strength and wear resistance can result in some developments of the method in that the inner surface is actively quenched by an at least partial melting of the light metal material in the region of the inner surface by supplying a liquid or gaseous cooling fluid.
  • a particularly rapid solidification can be achieved, whereby possibly the resulting compressive compressive stresses during solidification are even higher than in process variants without the active deterrent.
  • finer solidification structures with different strength properties can result.
  • Suitable cooling fluids may be suitable liquids, for example water, water-based solutions, oils, for example hardening oils, or emulsions, which may optionally be sprayed, sprayed or rinsed under suitable pressure.
  • solid particles and / or solid fibers are introduced into the bore and incorporated into the light metal material by the surface bonding operation in a near-surface layer on the inner surface of the bore. The introduction can be made directly into the bore and / or via the equipped with corresponding feed channels machining tool.
  • the solid material introduced may be, for example, powders and / or fibers of ceramic material such as silicon, glass, mullite, zirconium oxide, magnesium oxide and / or sufficiently hard metallic materials, for example tungsten, molybdenum or the like, or mixtures of these materials.
  • ceramic material such as silicon, glass, mullite, zirconium oxide, magnesium oxide and / or sufficiently hard metallic materials, for example tungsten, molybdenum or the like, or mixtures of these materials.
  • the added solids may optionally be superficially pressed into the unfused light metal material by means of the friction elements.
  • a particularly firm installation in the light metal matrix results when the Leichmetalltechnikstoff is melted superficially during the Reibverfest Trentsoperation so that the added solids in the near-surface melt layer can be well distributed and tightly integrated. Due to the incorporated solids, a particle reinforcement occurs at the near-surface layer, which on the one hand increases the strength of the material in the region of the inner surface and also improves the wear resistance.
  • the solid state material may be added throughout the rubbing operation. It is also possible that the material addition takes place only during certain periods of Reibverfestig ungsreaes, eg at the beginning or at the end of the Reibverfest Trentsoperation.
  • an optional friction enhancing liquid processing aid in the friction consolidation operation in preferred variants the friction bonding operation is performed dry. Normally, it is desired that the inner surface to be machined is already substantially dry, ie free of liquids, at the beginning of the rubbing operation. By thus possible dry sliding friction between the friction element and the workpiece surface, a particularly rapid heating or a particularly effective work hardening of the near-surface layer is possible.
  • a material-removing preparation of the bore is carried out using a liquid processing aid.
  • the inner surface is actively dried before the start of the rubbing operation or in the initial stage of the rubbing-solidifying operation in a liquid residue removing drying step.
  • compressed air or another compressed gas can be inflated onto the inner surface by means of a fluid channel system integrated into the tool with outlet nozzles directed towards the inner surface.
  • the working movement of the machining tool during the Reibverfest Trentsoperation usually includes a rotation of the machining tool within the bore, this rotation, as in honing, an axial reciprocating stroke movement may be superimposed.
  • An exclusively axially oscillating working movement or a movement with reversal of the direction of rotation, if necessary without axial movement, is likewise possible.
  • the machining tool is excited so that the tool is periodically expanded and contracted.
  • the tool can be excited by means of ultrasound.
  • the machining tool in preferred process variants during the Reibverfest Trentsoperation is at least phased rotated at a speed of more than 1000 min '1 , the speed preferably at least in phases at more than 5000 min '1 and can be, for example, in the range of 8000 to 10,000 min -1 or above, especially at such high rotational speeds, the working movement may be a pure rotational movement without superimposed lifting movement.
  • axially narrow zones can be generated with Reibverfestig ungs slaughter whose axial extent is short compared to the bore length, for example, less than 50% or less than 30% or less than 20% of the bore length.
  • intensification zones can be introduced on a cylinder surface.
  • the friction consolidation operation may be performed so that the entire usable length of the bore is machined by friction bonding.
  • machining tools can be used, the friction elements are about the same length as the bore or longer than the bore.
  • Processing can be done without a stroke or only with zem stroke, wherein the stroke length in a short stroke is much shorter than the axial bore length, for example, less than 50% or less than 30% or less than 10% of the axial longitudinal bore.
  • machining tools are used in which the friction elements are much shorter than the bore.
  • frictional consolidation can be achieved substantially over the entire bore length.
  • the use of machining tools with friction elements that are significantly shorter than the bore length may also be used to modify the surface by friction bonding only in selected axial portions of the bore.
  • the local solidification can be introduced only at locations with particularly high load, for example in the form of a strip near or at the upper Umberichttician the piston movement and / or in the vicinity or at the lower Um Chantician the piston movement.
  • the axial extent of such circumferentially extending strips may be less than half the bore length, e.g. 40% or less or 30% or less or 20% or less of the axial bore length.
  • At least two adjacent in the axial direction of the bore bore sections can be produced with different surface properties, wherein At least one of the bore portions is provided a Reibverfest Trents Mrs generated by friction hardening. Another bore portion may remain recessed in the friction consolidation operation and thus be free of a friction hardening layer.
  • the rubbing operation may be the last processing operation of a single-stage or multi-stage finishing process.
  • the rubbing consolidation operation may be performed immediately after pre-processing, e.g. is designed, on the inner surface, e.g. by means of honing or laser structuring or by means of a combination of these methods to produce a functional surface structure. This structure is then possibly slightly modified by the Reibverfest Trentsoperation.
  • a material-removing post-processing operation is performed after the friction-strengthening operation.
  • the post-processing operation may be for shaping the bore and / or creating a functional surface structure.
  • a post-processing of the provided with the Reibverfest Drastik inner surface by honing, laser exposure or laser structuring or by a combination of these methods is possible.
  • the invention further relates to a suitable and suitable for performing the method processing tool for machining an inner surface of a bore in a workpiece, in particular for machining a cylinder surface in the production of engine blocks for internal combustion engines.
  • the machining tool has at least one friction element which has at least one non-abrasive contact surface provided for frictional contact with the inner surface.
  • a friction element is significantly smoother in the region of the preferably non-compliant (rigid) contact surface than an abrasive machining element, such as a honing stone.
  • the friction element can, for example in the area of the contact surface a Oberflumble ⁇ nrauheit R ⁇ rn of less than 20 or less than 10 microns and an average surface roughness or Ra of less than 1 micron, or less than 0.1 microns z.
  • the contact surface can be smoothed by polishing.
  • a friction element for example a friction strip or friction shell, can consist of a ceramic material, such as silicon nitride, cubic boron nitride, boron carbide, silicon carbide, aluminum oxide, zirconium oxide or the like, at least in the region of the contact surface.
  • silicon nitride (SiaN-O has proved to be very favorable for the processing of light metal based materials, because it is largely inert to this group of materials and is not or hardly wetted by aluminum-containing melts
  • Molybdenum or Inconel can be used for the friction elements or the area of the contact surface coming into contact with the light metal material, and friction elements consisting essentially of cobalt or a cobalt alloy are also possible, and this material has proven to be less adhesive to aluminum materials
  • diamond-like materials such as PCD (polycrystalline diamond) or MKD (monocrystalline diamond material), which are particularly wear-resistant really smooth DLC (Diamond Like Carbon) Layer on a ceramic or metallic support member, for example, are usable.
  • PCD polycrystalline diamond
  • MKD monocrystalline diamond material
  • DLC Diamond Like Carbon
  • the machining tool may not have fluid channels, which belong to an expansion system, for guiding cooling fluid (normally a cooling fluid) from a coolant reservoir into the machining tool.
  • cooling fluid normally a cooling fluid
  • the machining tool should be actively or passively expandable or expandable in order to be able to apply an all-round friction-promoting contact pressure in rotationally symmetrical bores after the introduction.
  • An active expansion can be achieved by a suitable delivery system.
  • a passive expandability may e.g. be achieved in that the friction elements in the radial direction of the machining tool are movable and possibly spring-mounted, so that upon rapid rotation of the machining tool by centrifugal forces radially outward forces that determine the contact pressure of the friction elements on the bore inner surface.
  • the invention also relates to a processing machine suitable for carrying out the method and correspondingly adapted for processing an inner surface of a bore in a workpiece. It can be, for example, a specially configured honing machine or a specially configured machining center or a specially configured drilling spindle.
  • the invention further relates to a workpiece, which consists essentially of a light metal material, at least in the region of a bore, wherein the bore has a claimed in the proper use of the workpiece träbologäsch inner surface.
  • the workpiece has a Reibungsverfest Trents Mrs after processing the inner surface and before the intended use in one of the inner surface near the edge zone of the workpiece.
  • the workpiece may be, for example, an engine block or a cylinder liner for an internal combustion engine having at least one bore with an inner surface serving as a cylinder surface.
  • the workpiece consists at least in the region of the bore, possibly even completely, substantially of aluminum or of an aluminum alloy, in particular of an aluminum-silicon alloy, e.g. a hypoeutectic or eutectic Al-Si alloy.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a honing machine, which can be used as a processing machine for carrying out embodiments of inventive processing method
  • FIG. 2 is a schematic illustration of components of the expansion system of the honing machine shown in FIG. 1, along with a modified honing tool that may be used for a friction-hardening operation in a honed workpiece
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a honing machine, which can be used as a processing machine for carrying out embodiments of inventive processing method
  • FIG. 2 is a schematic illustration of components of the expansion system of the honing machine shown in FIG. 1, along with a modified honing tool that may be used for a friction-hardening operation in a honed workpiece
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a honing machine, which can be used as a processing machine for carrying out embodiments of inventive processing method
  • FIG. 2 is a schematic illustration of components of the expansion system of the honing machine shown in FIG. 1, along with
  • FIG. 3 shows various phases of an embodiment of a machining method which comprises a friction hardening operation in which a region of the bore inner surface which is near the surface is partially melted;
  • FIG. 4 shows an embodiment of a machining method which comprises a friction hardening operation in which a work hardening layer is produced in the area of the workpiece surface (4a), wherein subsequently in a honing operation the solidified surface is still patterned by grooves (FIG. 4B).
  • a honing machine 100 is shown schematically, which can be used in various embodiments of inventive method for processing of inner surfaces of holes in workpieces as a processing machine to perform on the one hand in a conventional manner, one or more honing operations on the workpiece and on the other also to produce on the same workpiece a friction strengthening operation for producing a near-surface strengthening layer in an edge zone of the workpiece near the inner surface.
  • a clamping plate 104 is fixed, which carries a workpiece 106 clamped thereon, which in the example is an engine block of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • the engine block consists practically completely of a light metal material, such as a hypoeutectic aluminum-silicon alloy with an Si content of about 9% by weight.
  • a plurality of cylinder bores are formed with generally vertical orientation of their cylinder axes.
  • the cylinder surfaces formed by the inner surfaces of the cylinder bores are subjected to a quality-determining finishing on the honing machine, in which both the macro-shape of the cylinder surfaces, as well as their surface topography is produced by suitable honing processes.
  • the cylinder surfaces are hardened by friction-induced microstructure transformation in a near-surface layer (friction hardening layer).
  • two essentially identical honing units 110, 112 are mounted on a portal-like support structure 108 and can be used alternately or simultaneously during workpiece machining. Their structure is explained in more detail with reference to the honing unit 110.
  • the honing unit comprises a spindle box 114 fastened on the support structure, which carries the honing spindle 116 serving as the tool spindle of the processing machine.
  • the honing spindle can be rotated around its longitudinal axis by means of a spindle motor 118 attached to the spindle box.
  • the rotary drive equipped with the spindle motor is designed to produce speeds of the tool spindle within the range of 10000 min -1 or above, for this purpose a special motor with a suitable transmission gear is provided.
  • a joint rod 120 is attached, at the lower, free end of the honing tool 130 serving as a machining tool is limited mechanically coupled mechanically movable.
  • a lifting drive 124 mounted on the lock box 114 causes the vertical movement of the honing spindle upon insertion of the tool into the workpiece or withdrawal from the workpiece and is controlled during the honing process so that the honing tool performs a vertical reciprocating motion within the bore of the workpiece ,
  • the honing machine is equipped with a feed system 140 shown schematically in FIG. 2, which comprises two feed devices which can be actuated independently of one another and which are assigned to different sets of processing elements on the honing tool.
  • a hydraulically actuated first feed device 150 comprises a hydraulic cylinder 151 in which a piston which can be acted upon by hydraulic pressure on both sides is seated, which is fastened to one end of a push rod 152. Accordingly, it can be controlled in both directions by controlling the hydraulic pressure within the hydraulic cylinder parallel to its longitudinal axis.
  • the massive push rod 152 is disposed within a hollow push rod 162 coaxial therewith and movable relative thereto.
  • the hollow push rod belongs to an electromechanical second feed system 160, the drive of which is formed by an electric stepper motor 161 which acts on the outer, hollow push rod 162 via a suitable gear 163 to move it up and down parallel to the common axis of the push rods to move.
  • the at the lower, free end of the connecting rod 120 coupled honing tool 130 has a substantially rotationally symmetrical to its tool axis 131 tool body 132 having not shown in detail at its upper end coupling structures for releasably securing the honing tool to the articulated rod.
  • the coupling For example, support structures can be designed in such a way that the tool can be fastened to the articulated rod in the manner of a bayonet connection.
  • the first set of processing elements comprises three or more evenly distributed around the circumference of the honing tool honing stones 170, which are fixed to the outside of radially within the body guided radially honing carriers 171.
  • the support brackets 171 have on their inner side at the upper and lower end oblique surfaces 173, which cooperate in the manner of a wedge drive with conical surfaces 174 of the first feed system such that an axial movement of the inner push rod 152 of the first feed device a radial parallel displacement of the honing stones 170 perpendicular to the tool axis 131st caused against the radially inward tensile force of return springs.
  • the second set of machining elements circumferentially disposed between the honing stones 170 includes friction elements 180 mounted on the radially outer side of carrier bars 181 which are radially movably guided within the tool body against the inward force of return springs. Normally, between two and six offset in the circumferential direction friction elements are provided, if necessary, more or less.
  • the carrier strips have in the upper and lower end portion inwardly directed inclined surfaces 183 which form a wedge drive with corresponding conical surfaces 184 of the second feed device, so that an axial movement of the hollow push rod 162 leads to a radial movement of the second processing elements 180 on the tool body.
  • the friction elements are non-cutting friction strips made of silicon nitride with a relatively smooth, cutting edge-free, provided for frictional contact with the cylinder surface contact surface.
  • the contact surface is cylindrically curved, with a curvature of the inner surface adapted curvature.
  • the polished contact surface has a surface roughness Rz of less than 5 to 10 ⁇ m.
  • the silicon nitride is single phase (essentially no binders of other material) to form a non-abrasive contact surface.
  • the strip-shaped friction elements are relatively wide in the circumferential direction (more than 5 mm, for example 6 to 8 mm) to allow a large-area Gleitreib chunk with the bore inner surface.
  • the support strips and possibly the Aufweitkonus may consist of the same material, whereby a comparison with conventional honing tools improved temperature resistance is achieved.
  • the honing machine further comprises a not shown in detail first fluid channel system, which serves towards the end of Reibverfest Trents- operation a cooling liquid on the heated by frictional heat and possibly partially melted inner surface of the bore.
  • the fluid channels extend from a coolant reservoir 190 to exhaust nozzles which open radially outward in the circumferential direction between them and / or in the region of the friction strips on the machining tool in the vicinity of the friction strips.
  • the cooling system also cools the support strips of the friction elements from the inside.
  • Another unillustrated second fluid channel system leads from a source of compressed air to a plurality of nozzles attached to the circumference of the machining tool.
  • This pneumatic system is for drying the workpiece surface immediately before the friction bonding operation.
  • the subfigures of Fig. 3 each show perpendicular to the cylinder bore axis extending cuts through the workpiece 306 in the region of the inner cylindrical inner surface 310, which serves as a cylinder surface in the finished engine block and thus as a friction partner for the piston rings worn on the piston.
  • the cylinder bores are prepared by fine turning or comparable machining so far that the desired final shape and surface structure in the subsequent steps of the finishing process by machining the honing machine can be achieved.
  • the fine boring operation can be used to precisely set the desired position and angular position of the bore.
  • the fine boring operation is carried out with a precision boring tool with a geometrically determined cutting edge, which gives the inner surface a characteristic structure with spirally encircling grooves.
  • this first operation of the method can also be omitted.
  • a honing operation commonly referred to as "pre-honing”
  • relatively coarse-grained cutting grains and high chip removal to substantially define the desired macro-shape of the bore and reduce the molding errors and potential diameter spreads resulting from pre-machining
  • the resultant pre-honed inner surface typically has roughnesses R z in the range of 10 ⁇ m and 30 ⁇ m
  • the structure of the inner surface 310 on the workpiece 306 resulting from the pre-honing is shown schematically in FIG.
  • water-containing cooling lubricants or honing oils are normally used to remove the machining residues produced during machining and to cool the machining tool and the workpiece machined to moderate temperatures, which are generally not substantially above 40 ° C.
  • the pre-honed surface wetted with residues of cooling lubricant is first dried in a drying step, ie freed from liquid coolant lubricant residues.
  • compressed air is blown onto the pre-honed surface 310 with the aid of one or more compressed-air nozzles 320.
  • the Vorhon- tool may for this purpose contain a fluid channel system, the channels open in compressed-air nozzles, which are directed to the inner surface of the machined bore. The fluid channels are connected to the pneumatic system of the honing machine.
  • the pre-honed inner surface is largely dry and free from processing residues of previous processing stages.
  • the next machining operation namely, the friction bonding operation, is performed by means of a modified double-widening honing tool 130, on the circumference of which are a plurality of friction members 180 mounted on the radially outer side of carrier bars which are radially displaceable within the tool body of the honing tool are (see Fig. 2).
  • the friction elements are made in the region of the inner surfaces 310 facing contact surface 181 made of silicon nitride and form a substantially smooth, non-machined acting, ie non-abrasive contact surface to the surface of the light metal material.
  • the rotary drive of the honing machine is accelerated to speeds well above 500 min '1 , wherein the speeds often in the range between 5000 min "1 and 10000 min ' 1 or As a result, the friction elements are moved at a very high relative speed with respect to the inner surface of the bore and slide therefrom under a predetermined contact pressure.
  • the simultaneous heating of the tool body is counteracted by the internal cooling of the carrier bars
  • the frictional heat in the near-surface zone via the associated melting temperature T s (eg 600 0 C to 650 0 C) heated so that the material in a near-surface zone partially melts and forms a melt layer 312.
  • the friction consolidation operation requires only very short processing times, which are typically in the range of less than 5 s.
  • the thickness of the melt layer is highly dependent on the process control and is typically at a few microns (eg between 10 .mu.m and 100 .mu.m), if necessary, above.
  • the friction elements are depressurized and retracted.
  • the rotational speed of the work spindle is reduced again.
  • the "heat source" for the near-surface melting virtually “turned off”, so that the partially melted near-surface layer solidifies again.
  • the solidification can be supported by an active cooling of the entire workpiece, in which case the heat dissipation takes place predominantly in the interior of the workpiece.
  • the machining tool has a fluid channel system whose fluid channels on the outside of the machining tool open into cooling nozzles 330 which are directed onto the workpiece surface.
  • the fluid channel system is connected to a coolant tank 190.
  • a near-surface layer 350 is generated in the region of the inner surface of the bore, the structure of which differs significantly from the structure of the underlying casting material.
  • substantially higher compressive residual stresses may be present in the near-surface layer. lie as in the underlying, produced by a casting process material.
  • the near-surface layer has an increased mechanical strength compared to the bulk material.
  • an increase in the hardness of the material and thus an increased wear resistance is achieved.
  • the surface materials produced with the help of friction hardening are ideally suited for strong tribological loads.
  • different properties of the near-surface layer 350 with respect to residual compressive stresses, hardness, microstructure, etc. can be achieved.
  • the friction strengthening operation may be the final machining operation of the finishing process such that the unprocessed workpiece surface created by the friction hardening operation acts directly as a friction partner for piston rings in the intended use of the engine. Often, however, it is favorable if the friction consolidation operation is followed by further processing to produce a functional surface structure and / or processing to modify the shape.
  • a honing operation is performed subsequent to the friction strengthening operation to impart a cross-cut structure to the free surface of the surface hardened material for improving the oil resistance (FIG. 3B).
  • the honing stones 170 are delivered radially outward in order to finish the inner surface by honing.
  • honing marks 311 with typical mean depths of a few micrometers are formed.
  • a second embodiment of a method with Reibverfest onlysoperation is described, with which a workpiece 406 is processed from a eutectic aluminum-silicon alloy (about 12.5 wt .-% Si) in the region of a cylindrical bore.
  • a eutectic aluminum-silicon alloy about 12.5 wt .-% Si
  • the processing parameters of the friction hardening operation are selected such that plastic deformation of the structure of the light metal material occurs in the surface-near layer 450 adjoining the inner surface 410 at relatively low temperatures, which leads to an increase in strength by means of work hardening.
  • the friction elements 180 are pressed from binder-free (single-phase) silicon nitride with a relatively strong contact pressure against the inner surface.
  • the smooth polished unyielding (rigid) contact surface 181 provided for contact with the inner surface has a convex-cylindrical curvature adapted to the cylindrical curvature of the bore to ensure a large-area contact with the inner surface.
  • a working movement is generated with multiple reversals of movement direction.
  • the rotary drive can be controlled so that the direction of rotation of the machining tool during the period of Reibverfest Drisoperation changes several times, so that the machining tool is rotated in the bore back and forth.
  • an axially oscillating working movement can be provided.
  • a work hardening layer is the mechanical alternating stress of the near-surface layer by the friction elements pressed on over large areas. As a result, dislocation movements are induced in the polycrystalline light metal material directly below the inner surface 410 and entire crystal regions can slide on slip planes.
  • Fig. 4A 1B some induced by the mechanical cycling of crystal defects 451 are shown schematically, whose density is significantly higher in the hardening layer 450 as in intersectüegenden, chemically identical Volumenrnateriai 452. In this manner, a monolithic workpiece are produced that in the region Bore inner surface 410 has a much higher strength than deeper in the volume of the material.
  • the honing operation is followed by a honing operation, by means of which honing marks 411 are produced on the surface by mechanically machining with geometrically indeterminate cutting edges whose average depth in the example corresponds approximately to the layer thickness of the work hardening layer 450 (a few ⁇ m depth).
  • the order of rubbing operation and structuring operation is reversed.
  • a patterning operation e.g., honing or laser patterning
  • the structured surface is work hardened in a rubbing-solidifying operation.
  • some of the existing on the surface profile tips of the workpiece are flattened or bent, but the deeper grooves remain and are at most slightly compressed. This results in a superficially solidified material with a particularly high load-bearing ratio of the structured surface.
  • the average depth of the processing tracks may be smaller or larger than the layer thickness of Reibungsverfest Drstik or about this layer thickness correspond.
  • honing traces include relatively large honing angles of, for example, more than 120 ° and less than 170 ° (corresponding to angles to the axial direction between 30 ° and 5 °.) Spiral gliding method are described, for example, in DE 196 07 774 B4 described.
  • the schematic round insert figure in Fig. 4B shows a plan view of the inner surface 411, which has a cross-cut structure, in which the honing marks 411 include a honing angle HW of about 140 °, which is an angle WA to the axial direction AX of the bore of about 20 ° equivalent.
  • Processing marks in the manner of honing marks can also be achieved by laser structuring by means of a focused and suitably controlled laser beam.
  • hypoeutectic aluminum-silicon alloys ie Al-Si alloys having a Si content of less than 12.5% by weight, or eutectic or near-eutectic aluminum-silicon alloys, to use in monolithic workpieces without the specific disadvantages of these bulk materials adversely affect the tribological properties of the inner surface.
  • the process variants described above can be modified by the fact that before and / or during the Reibverfest Whilesoperation fine fibrous and / or granular solid particles in the form of a suitable powder or the like. be incorporated into the processing zone and incorporated in the Reibverfest Whilesoperation in the near-surface layer. Typical mean particle sizes may be below 100 ⁇ m, for example.
  • the reinforcing particles are typically distributed relatively uniformly throughout the layer, while the reinforcing particles are found in work-hardened surface layers only in the immediate vicinity of the inner surface. are and are partially open, because they are pressed by the friction elements only mechanically into the relatively soft light metal matrix.
  • the processing machine may be a conventionally constructed honing machine whose rotary drive may possibly be modified in order to be able to produce the high rotational speeds favorable for the melting process.
  • Separate fluid channel fluid cooling system for cooling or quenching the workpiece surface and for pneumatically drying the inner surface prior to the friction consolidation operation may be provided.
  • Even conventional or possibly modified machining centers can be used as processing machines, in particular if they are designed to work with expandable processing tools.
  • finishing operation for producing defined surface properties of the workpiece can be carried out after the friction consolidation operation, for example a surface structuring of the surface with the aid of laser radiation, for example the structure of the briefly melted and then solidified surface layer 350 at least in the region the free surface to change.
  • a Reibverfest Trentsoperation may also be provided in the machining of workpiece outer surfaces with a suitable modification of conventional external machining processes, for. To consolidate convex-cylindrical bearing surfaces on piston pins or other workpieces on the surface.
  • the processable light metal materials mainly include magnesium and aluminum and alloys based on aluminum or based on magnesium, wherein the composition of the alloy components may each be such that an alloy is hypoeutectic, eutectic or hypereutectic. It is also possible to machine the inner surfaces of workpieces made of spray-compacted hypereutectic Al-Si materials. These extremely fine-grained and relatively strong materials are e.g. used for the production of cylinder liners.
  • the light metal materials may be free of hard material phases, but they may also be reinforced by enclosed hard material phases, wherein the hard material phases may be particulate and / or fibrous.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, welches zumindest im Bereich der Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, führt während mindestens einer Bearbeitungsoperation ein Bearbeitungswerkzeug innerhalb der zur bearbeitenden Bohrung eine Arbeitsbewegung aus. Das Verfahren umfasst eine Reibverfestigungsoperation, bei der ein Bearbeitungswerkzeug mit mindestens einem Reibelement verwendet wird, das mindestens eine zum Reibkontakt mit der Innenfläche vorgesehene Kontaktfläche hat. Das Reibelement wird mit einer Relativgeschwindigkeit gegenüber der Innenfläche und mit einem reibungsfördernden Druck derart über die Innenfläche bewegt, dass unter der Einwirkung von Gleitreibung und Druck im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Reibung und Druck induzierte Reibverfestigungsschicht erzeugt wird. Das Verfahren kann insbesondere zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Leichtmetall-Motorblöcken genutzt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Feinbearbeitung von Bohrungen. Bearbeitungswerkzeuq und Bearbeiiungsmaschine hierfür sowie Werkstück
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, welches zumindest im Bereich der Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, ein zur Durchführung des Verfahrens verwendbares Bearbeitungswerkzeug, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine sowie ein durch das Verfahren herstellbares Werkstück.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Die Zylinderlaufflächen in Motorblöcken von Brennkraftmaschinen sind im Betrieb der Brennkraftmaschine einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Motorblöcken darauf an, diese und andere tribologisch beanspruchbare Flächen, beispielsweise Gleitlager in Pleuelbohrungen, so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch ein Ölfilm gewährleistet ist und dass der Reibwiderstand von sich relativ zueinander bewegenden Teile sowie der Verschleiß im Betrieb möglichst gering gehalten werden.
Die Endbearbeitung tribologisch beanspruchbarer Bohrungsinnenflächen im Motorenbau erfolgt in der Regel mit einem geeigneten Feinbe- arbeitungsverfahren, bei dem während mindestens einer Bearbeitungsoperation ein Bearbeitungswerkzeug innerhalb der zur bearbeitenden Bohrung eine Arbeitsbewegung ausführt und mindestens ein an dem Bearbeitungswerkzeug angebrachtes Bearbeitungselement mechanisch auf die Innenfläche einwirkt. Als Bearbeitungselemente eines Honwerkzeuges sind z.B. Honsteine oder Honleisten vorgesehen, die eine spanabhebende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide ermöglichen. Beim Honen entsteht durch eine gleichzeitige Drehbewegung und Hubbewegung des Honwerkzeuges ein für diese Bearbeitung typisches Kreuzschliffmuster an der zu bearbeitenden Innenfläche, welches für die Trag- und Schmiereigenschaften des bearbeitenden Werkstückes von Bedeutung ist. Außerdem wird durch das Honen in der Regel die Makroform der Bohrung an die angestrebte Sollform angenähert.
Im Hinblick auf die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und auf die Erhöhung des Leistungsgewichts von Kraftfahrzeugen werden seit Jahren vielfältige Möglichkeiten der Massereduzierung an allen Bauteilen verfolgt. Da die Motoren einen relativ hohen Anteil am Gesamtfahrzeuggewicht haben, bieten Motoren ein besonders hohes Einsparpotential für gewichtssenkende Maßnahmen. Dem Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen bei Komponenten für den Fahrzeugantrieb kommt dabei besondere Bedeutung zu. So werden beispielsweise seit Jahren monolithische Motorblöcke für hochleistungsfähige Ottomotoren aus einer übereutekti- schen Aluminium-Silizium-Gusslegierung, d.h. aus seiner Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt vom mehr als 12,5 Gew.-% hergestellt, beispielsweise aus der Al-Si-Legierung AISiI 7Cu4Mg, die unter dem Markennamen ALUSIL® angeboten wird. Übereutektische Aluminium- Silizium-Gusslegierungen bilden beim Erstarren harte Primärausscheidungen aus Silizium, die bei der Bearbeitung der Zylinderlaufflächen unter Zurücksetzen der weicheren metallischen Matrix freigelegt werden, so dass die Kolbenringe auf den Primärsiliziumkristallen gleiten können. Auf diese Weise hergestellte Zylinderlaufflächen haben eine hohe Ver- schleißfestigkeit und bieten ausreichend Haltevolumen für Öl. Feinbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung solcher Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen sind beispielsweise in der EP 0 818 271 BI und den darin zitierten Dokumenten angegeben.
Übereutektische Al-Si-Legierungen werden auch zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen verwendet, die in ein Kurbelgehäuse aus einem anderen Leichtmetallwerkstoff eingesetzt und dann feinbearbeitet werden. Die Patentanmeldung DE 10 2006 005 193 A1 beschreibt Kurbelgehäuse aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung mit einer eingesetzten Zylinderlaufbuchse aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung. Bei einer solchen heterogenen Bauform muss der Kurbelgehäusewerkstoff nicht die für einen Zylinderlaufflächenwerkstoff geforderten Eigenschaften haben, sondern kann im Hinblick auf seine Eignung als Konstruktionswerkstoff für das Kurbelgehäuse ausgewählt werden. Bei Verwendung einer untereutektischen Aluminiumlegierung für das Kurbelgehäuse steigt die mechanische Festigkeit und der Gießprozess wird im Vergleich zu übereutektischen Legierungen vereinfacht. Unte- reutektische Al-Si-Legierungen werden allerdings, u.a. wegen einer erhöhten Neigung zum Fressen (seizing), als nicht geeignet zur Bildung von Zylinderlaufflächen angesehen.
Als Alternative zum Einbau gesonderter Zylinderlaufbuchsen in ein gegossenes Kurbelgehäuse ist auch die Herstellung von Kurbelgehäusen aus einer untereutektischen Al-Si-Legierung in Kombination mit einer Beschichtung der Zylinderlaufbahn bekannt. Solche Bauformen werden gelegentlich als quasi-monolithische Formen bezeichnet. Bei bekannten quasi-monolithischen Kurbelgehäusen wird galvanisch eine Nickel- Dispersionsschicht auf die Zylinderlaufbahn aufgebracht. Die Nickel- Dispersionsschicht enthält in Nickel gebundene Siliziumkarbidteilchen, die gleichmäßig verteilt eingelagert sind. Derartig beschichtete Zylinderlaufbahnen haben gute Laufeigenschaften und geringen Verschleiß und können mit Kolben und Kolbenringen aus handelsüblichen Werkstoffen kombiniert werden. Der Herstellungsprozess ist jedoch aufgrund der Be- schichtung relativ kostenintensiv und aus Umweltgesichtspunkten problematisch.
Auch Magnesiumlegierungen werden als Leichtbau Werkstoffe im Motorenbau eingesetzt, z.B. im Verbund mit Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Magnesium-Aluminium Verbundkurbelgehäusen (vgl. EP 1 433 552 A1 ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein insbesondere bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen für Leichtmetall-Motorblöcke einsetzbares Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, mit dem tribologisch optimierte Innenflächen erzeugt werden können. Insbesondere soll eine verbesserte Verschleißbeständigkeit der bearbeiteten Innenflächen bei der bestimmungsgemäßen Verwendung erzielt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 , sowie durch ein Bearbeitungswerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 19 oder eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen zum Anspruch 27.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Verfahren wird die Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück feinbearbeitet, wobei das Werkstück zumindest in dem an die Innenfläche angrenzenden Bereich der Bohrung im Wesentlichen aus ei- nem Leichtmetallwerkstoff besteht. Das Verfahren umfasst eine Reibver- festigungsoperation. Zur Durchführung der Reibverfestigungsoperation wird ein Bearbeitungswerkzeug mit mindestens einem Reibelement verwendet, das eine zum Reäbkontakt mit der Innenfläche vorgesehene Kontaktfläche bzw. Wirkfläche hat. Das Reibelement wird mit einer Relativgeschwindigkeit gegenüber der Innenfläche und unter einem rei- bungsfördernden Druck derart über die Innenfläche bewegt, dass unter der Einwirkung von Gleitreibung und Druck im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Gleitreibung und Druck induzierte Reibver- festigungsschicht erzeugt wird.
Bei der Reibverfestigungsoperation wird in der oberflächennahen Einflusszone aufgrund einer Gefügeumwandlung bzw. Gefügeveränderung des Leichtmetallwerkstoffes eine mehr oder weniger dicke oberflächennahe Schicht erzeugt, die eine größere Festigkeit und ggf. größere Härte als das darunter liegende Volumenmaterial hat und damit der Innenfläche die gewünschten, im Vergleich zu unbearbeiteten Oberflächen verbesserten tribologischen Eigenschaften verleiht. Es wird somit ein Oberflächenwerkstoff mit verbesserten tribologischen Eigenschaften erzeugt. Die erzeugte Schicht wird in dieser Anmeldung auch als „Reibverfesti- gungsschicht" bezeichnet.
Eine Besonderheit der erzeugten Reibverfestigungsschicht besteht darin, dass sie - im Gegensatz zu nachträglich aufgebrachten Beschich- tungen (coatings) - chemisch, d.h. hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, im Wesentlichen identisch zum darunterliegenden Volumenmaterial sein kann. Die Schichtstruktur kann in einer mehr oder weniger scharf definierten Übergangszone in die Struktur des Volumenmaterials übergehen. Die Bindung zwischen dem Leichtmetallwerkstoff in der Schicht und dem darunterliegenden Leichtmetallwerkstoff ist in der Regel nicht schwächer als die inneren Bindungskräfte im Volumenmaterial, da die Schicht aus dem Leichmetall-Material des Werkstückes durch Gefügeumwandlung erzeugt wird.
Typische Schächtdicken der bei der Reibverfestigungsoperation erzeugten oberflächlichen Schicht können im Bereich von einem oder mehreren Mikrometern oder auch darüber liegen, beispielsweise im Bereich von einem oder mehreren Zehntel Millimetern. Gegebenenfalls sind auch Schichtdicken in der Größenordnung von bis zu einem Millimeter oder mehr möglich.
Bei der Reibverfestigungsoperation findet vorzugsweise praktisch kein Materialabtrag an der Innenfläche statt. Vielmehr wird die oberflächennahe Schicht vorzugsweise durch spanloses Abgleiten des mindestens einen Reibungselementes an der Oberfläche erzeugt. Dadurch wird im oberflächennahen Bereich eine Einflusszone derart aufgeheizt und/oder verformt, dass es in einer oberflächennahen Schicht des Leichtmetallwerkstoffes zu einer Gefügeumwandlung kommt, die den durch die Reibverfestigungsoperation bearbeiteten Oberflächen eine gegenüber der unbearbeiteten Oberfläche verbesserte Härte und Festigkeit verleiht. Die Reibverfestigungsoperation kann zu einer Oberflächenhärtung und einer Verfestigung einer oberflächennahen Schicht führen, ohne dass sich die Dimension der Bohrung (insbesondere Durchmesser und Form) signifikant ändert.
Bei der Reibverfestigungsoperation können unterschiedliche Wirkmechanismen im oberflächennahen Bereich des Leichtmetallwerkstoffs in Gang gesetzt bzw. genutzt werden.
Bei manchen Ausführungsformen werden die Bearbeitungsparameter der Reibverfestigungsoperation so eingestellt, dass in einer an die Innenfläche der Bohrung angrenzenden Schicht eine Kaltverfestigung des Leichtmetallwerkstoffes induziert wird. Der Begriff „Kaltverfestigung" be- zeichnet hierbei eine Festigkeitssteigerung des Leichtmetallwerkstoffes, die bei einer plastischen Verformung des Leichtmetallwerkstoffs im weitgehend kalten Zustand auftritt. Die im innenflächennahen Bereich des Leichtrnetaüwεrkstoffs vorliegenden Temperaturen liegen dabei typä- scherweise weit unterhalb der materialspezifischen Schmelztemperatur Ts. Die Temperaturen können z.B. im Bereich von weniger als 1500C oder weniger als 1000C liegen.
Der polykristalline Leichtmetallwerkstoff hat innerhalb seiner Kristallite (Körner) Gleitmöglichkeiten sowie Baufehler, die innerhalb der Kristallstruktur Versetzungen hervorrufen. Die durch die äußere Krafteinwirkung am Kristallgitter auftretenden Schubspannungen können zum Abgleiten ganzer Kristallbereiche auf Gleitebenen und zur Bewegung von Versetzungen führen. Die Versetzungen können bis zu den Korngrenzen der Kristalle wandern, sich dort aufstauen und vervielfachen und können je nach ihrer Anordnung und Dichte weitere Verformungen des Kristallmaterials blockieren. Dieser Effekt führt dann zu der gewünschten Festigkeitssteigerung, wobei normalerweise gleichzeitig die Verformbarkeit (Duktilität) abnimmt. Wenn durch die Reibverfestigungsoperation eine Kaltverformung induziert werden soll, sind somit mit Hilfe des Reibelementes die für die Induzierung dieser Prozesse erforderlichen Kräfte und Bewegungen aufzubringen.
Vorzugsweise wird das Bearbeitungswerkzeug für das Kaltverfestigen während der Reibverfestigungsoperation phasenweise so gedreht, dass sich die Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeuges während der Dauer der Reibverfestigungsoperation mehrfach ändert, so dass das Bearbeitungswerkzeug in der Bohrung hin und her gedreht wird. Eine Arbeitsbewegung, die eine solche oszillierende links-rechts Drehung beinhaltet, führt besonders schnell zu einer starken Oberflächenverfestigung. Es kann eine ggf. oszillierende Hubbewegung überlagert sein, was aber häufig nicht nötig ist. Eine durch Gleitreibung vermittelte mechanische Wechselbeanspruchung erscheint günstig.
Bei anderen Varianten der Reibverfestigungsoperatäon werden die Bearbeitungsparameter so eingestellt, dass in erheblichem Ausmaß Reibungswärme erzeugt wird und unter der Einwirkung der Reibungswärme im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Gleitreibungswärme induzierte Oberflächenverfestigung erzeugt wird. In diesem Fall wird somit eine im Wesentlichen thermisch induzierte Gefügeumwandlung erzeugt, die ebenfalls zu einer oberflächennahen Schicht führen kann, deren Festigkeit deutlich größer ist als die Festigkeit des darunterliegenden, nicht thermisch umgewandelten bzw. beeinflussten Volumenmaterials.
In der Regel ist bei der Reibverfestigungsoperation einer der genannten Prozesse (Kaltverfestigung oder thermisch induzierte Gefügeumwandlung) dominierend, was durch geeignete Bearbeitungsparameter (z.B. Geschwindigkeitsprofil der Arbeitsbewegung, Anpressdruck, Reibelement-Auswahl) eingestellt werden kann.
Um eine überwiegend thermisch induzierte Gefügeänderung zu erzielen, können bei der Reibverfestigungsoperation in der oberflächennahen Wärmeeinflusszone Temperaturen T erzeugt werden, die deutlich höher sind als die im Betrieb des Werkstücks auftretenden Temperaturen. Die Temperatur kann z.B. phasenweise (typischerweise eine oder mehrere Sekunden) mindestens 50% der materialspezifischen Schmelztemperatur Ts des Leichtmetallwerkstoffes erreichen, d.h. T > 0,5 Ts. Häufig gilt T > 0,6 Ts oder T > 0,8 Ts oder T > 0,9 Ts Vorzugsweise werden bei der Reibverfestigungsoperation im Bereich nahe der bearbeiteten Innenfläche mindestens zeitweise Temperaturen von mehr als 3000C oder mehr als 5000C oder mehr als 600°C oder mehr als 700°C erzeugt. Bei einer derart starken reibungsinduzierten Aufheizung oberflächennaher Bereiche des Leichtmetallwerkstoffes kann es in diesem Bereich nach Art eines Lösungsglühens zu Veränderungen im Leichtmetallwerkstoff kommen, die die Festigkeit der oberflächennahen Schicht steigern. Bei einer anschließenden Abkühlung, die gegebenenfalls durch aktive Kühlung unterstützt werden kann, können sich Druckeigenspannungen in der oberflächennahen Schicht erhöhen, wodurch die mechanische Festigkeit steigt.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens mit thermisch induzierter Gefügeumwandlung wird der Leichtmetallwerkstoff während der Reibverfesti- gungsoperation im Bereich der Innenfläche unter dem Einfluss der erzeugten Reibungswärme mindestens teilweise aufgeschmolzen und erstarrt anschließend. Die Reibverfestigungsoperation wird hierzu so durchgeführt, dass der Leichtmetallwerkstoff durch die Reibungswärme über einen gewissen Zeitraum auf Temperaturen oberhalb der materialspezifischen Schmelztemperatur Ts aufgeheizt wird. Der zeitliche Temperaturverlauf, d.h. das Temperatur-Zeit-Profil während der Reibverfestigungsoperation, kann dabei z.B. so gesteuert werden, dass sich durch die dem Aufschmelzen folgende Erstarrung Druckeigenspannungen in der Oberflächennahtschicht erhöhen und dadurch die mechanische Festigkeit, z.B. die Dauerfestigkeit der Bohrung erhöht. Zusätzlich kann eine Aufhärtung erzeugt werden, wodurch sich eine erhöhte Verschleißfestigkeit der bearbeiteten Innenfläche ergibt.
Das Ausmaß der Aufheizung kann durch Einflussnahme auf die Prozessparameter, insbesondere durch Auswahl geeigneter Reibelemente, die Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. des Geschwindigkeitsprofils für die Bewegung der Reibelemente und über die Dauer der Eingriffszeit beeinflusst werden. Während es beispielsweise für das oberflächliche Aufschmelzen eine eutektischen Aluminium-Silizium- Legierung (eutektische Temperatur bei ca. 577°C) reichen kann, wenn die oberflächennahe Temperatur auf 580° bis 600°C oder darüber gesteigert wird, sind für das Aufschmelzen größerer Volumenanteile übe- reutektischer Aluminiumlegierungen gegebenenfalls deutlich höhere oberflächennahe Temperaturen oder längere Eingriffszeiten erforderlich, beispielsweise ca. 850° oder darüber zum vollständigen Aufschmelzen übereutektischer Al-Si-Legierungen mit ca. 30 gew.% Silizium. Für das partielle Aufschmelzen untereutektischer Aluminiumlegierungen reichen wiederum niedrigere Temperaturen, die knapp oberhalb der eutekti- schen Temperatur, z.B. im Bereich zwischen 6000C und 6500C liegen können. Auch reines Aluminium (Schmelzpunkt bei ca. 6600C) kann bei entsprechender Verfahrensführung bearbeitet und dabei oberflächlich aufgeschmolzen werden. Bei der Bearbeitung von Leichtmetallwerkstoffen auf Basis von Magnesium, insbesondere bei Magnesium-Aluminium- Legierungen, reichen in der Regel etwas niedrigere Temperaturen, beispielsweise um ca. 4600C für eine eutektische Magnesium-Aluminium- Legierung mit ca. 33 Gew.% Aluminium.
Eine besonders starke Erhöhung der Festigkeit und Verschleißbeständigkeit kann sich bei manchen Weiterbildungen des Verfahrens dadurch ergeben, dass die Innenfläche nach einem mindestens teilweisen Aufschmelzen des Leichtmetallwerkstoffes im Bereich der Innenfläche durch Zufuhr eines flüssigen oder gasförmigen Kühlfluids aktiv abgeschreckt wird. Hierdurch kann eine besonders schnelle Erstarrung erzielt werden, wodurch gegebenenfalls die beim Erstarren entstehenden Druckeigenspannungen noch höher werden als bei Verfahrensvarianten ohne die aktive Abschreckung. Außerdem können sich feinere Erstar- rungsgefüge mit anderen Festigkeitseigenschaften ergeben.
Als Kühlfluid können geeignete Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, wasserbasierte Lösungen, öle, z.B. Härteöle, oder Emulsionen verwendet werden, die ggf unter geeignetem Druck aufgesprüht, aufgespritzt oder aufgeschwallt werden können. Bei manchen Ausführungsformen werden vor und/oder während der Reibverfestigungsoperation Feststoffpartikel und/oder Feststofffasern in die Bohrung eingeleitet und durch die Rεibverfestigungsoperation in eine oberflächennahe Schicht an der Innenfläche der Bohrung in den Leichtmetallwerkstoff eingebaut. Die Einleitung kann direkt in die Bohrung und/oder über das mit entsprechenden Zufuhrkanälen ausgestattete Bearbeitungswerkzeug erfolgen. Bei dem eingeleiteten Feststoffmaterial kann es sich beispielsweise um Pulver und/oder Fasern aus keramischem Material wie Silizium, Glas, Mullit, Zirkonoxid, Magnesiumoxid und/oder um ausreichend harte metallische Materialien, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder dergleichen oder um Mischungen aus diesen Materialien handeln. Bei der Stoffauswahl ist zu beachten, dass die Materialien die Reibelemente nicht zu stark verschleißen sollten und beim Einbau kein Gase, z.B. H2O oder dergleichen, freisetzen.
Die hinzugefügten Feststoffe können ggf. in den nicht aufgeschmolzenen Leichtmetallwerkstoff mit Hilfe der Reibelemente oberflächlich eingedrückt werden. Ein besonders fester Einbau in die Leichtmetallmatrix ergibt sich dann, wenn der Leichmetallwerkstoff während der Reibverfestigungsoperation oberflächlich aufgeschmolzen wird, so dass sich die zugegebenen Feststoffe in der oberflächennahen Schmelzschicht gut verteilen und fest eingebunden werden können. Durch die eingebauten Feststoffe tritt an der oberflächennahen Schicht eine Partikelverstärkung ein, die zum einen die Festigkeit des Werkstoffs im Bereich der Innenfläche steigert und auch die Verschleißbeständigkeit verbessert.
Das Festkörpermaterial kann während der gesamten Reibverfestigungsoperation zugegeben werden. Es ist auch möglich, dass die Materialzugabe nur in gewissen Zeitabschnitten des Reibverfestig ungsprozesses stattfindet, z.B. am Anfang oder am Ende der Reibverfestigungsoperation. Obwohl es möglich ist, dass bei der Reibverfestigungsoperation ein gegebenenfalls reibungsverstärkendes flüssiges Bearbeitungshilfsmittel zugegeben wird, wird bei bevorzugten Varianten die Reibungsverfesti- gungsoperation trocken durchgeführt. Normalerweise wird angestrebt, dass die zu bearbeitende Innenfläche zu Beginn der Reibverfestigungsoperation bereits im Wesentlichen trocken, d.h. frei von Flüssigkeiten ist. Durch die damit mögliche trockene Gleitreibung zwischen Reibelement und Werkstückoberfläche ist eine besonders schnelle Aufheizung oder eine besonders wirkungsvolle Kaltverfestigung der oberflächennahen Schicht möglich.
Bei manchen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass vor der Reibverfestigungsoperation eine materialabtragende Vorbereitung der Bohrung unter Verwendung eines flüssigen Bearbeitungshilfsstoffes durchgeführt wird. In diesen Fällen kann vorgesehen sein, dass die Innenfläche vor Beginn der Reibverfestigungsoperation oder in der Anfangsphase der Reibverfestigungsoperation in einem Trocknungsschritt zur Beseitigung von Flüssigkeitsresten aktiv getrocknet wird. Für den Trocknungsschritt kann beispielsweise Druckluft oder ein anderes Druckgas auf die Innenfläche aufgeblasen werden, mit Hilfe eines in das Werkzeug integrierten Fluidkanalsystems mit auf die Innenfläche gerichteten Auslassdüsen.
Die Arbeitsbewegung des Bearbeitungswerkzeuges während der Reibverfestigungsoperation umfasst in der Regel eine Drehung des Bearbeitungswerkzeuges innerhalb der Bohrung, wobei dieser Drehung, ähnlich wie beim Honen, eine axial hin- und hergehende Hubbewegung überlagert sein kann. Eine ausschließlich axial oszillierende Arbeitsbewegung oder eine Bewegung mit Drehrichtungsumkehr, ggf. ohne Axialbewegung, ist ebenfalls möglich. Weiterhin ist es möglich, dass das Bearbeitungswerkzeug so angeregt wird, dass das Werkzeug periodisch aufgeweitet und zusammengezogen wird. Für schnell oszillierende Arbeitsbe- wegungen kann das Werkzeug beispielsweise mittels Ultraschall angeregt werden.
Urn eine besonders schnelle Aufheizung und reibungsinduzierte Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreichen zu können, wird das Bearbeitungswerkzeug bei bevorzugten Verfahrensvarianten während der Reibverfestigungsoperation mindestens phasenweise mit einer Drehzahl von mehr als 1000 min'1 gedreht, wobei die Drehzahl vorzugsweise mindestens phasenweise bei mehr als 5000 min'1 liegt und beispielsweise im Bereich von 8000 bis 10.000 min"1 oder darüber liegen kann. Die Arbeitsbewegung kann insbesondere bei solchen hohen Drehzahlen eine reine Drehbewegung ohne überlagerte Hubbewegung sein.
Wenn bei einer reinen Drehbewegung Reibelemente verwendet werden, die deutlich kürzer als die Bohrungslängen sind, können auf diese Weise axial schmale Zonen mit Reibverfestig ungsschicht erzeugt werden, deren axiale Ausdehnung kurz gegenüber der Bohrungslänge ist, beispielsweise weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 20% der Bohrungslänge beträgt. So können beispielsweise im Bereich des oberen Umkehrpunktes und/oder im Bereich des unteren Umkehrpunktes einer Kolbenbewegung Verstärkungszonen an einer Zylinderlauffläche eingebracht werden. Wenn die Reibelemente etwa so lang wie die Bohrungslänge oder länger sind, kann eine Reibverfestigungs- schicht erzeugt werden, die sich im Wesentlichen über die gesamte Bohrungslänge erstreckt.
Generell kann die Reibverfestigungsoperation so durchgeführt werden, dass die gesamte nutzbare Länge der Bohrung durch Reibverfestigen bearbeitet wird. Hierzu können Bearbeitungswerkzeuge verwendet werden, deren Reibelemente etwa gleich lang wie die Bohrung oder länger als die Bohrung sind. Die Bearbeitung kann ohne Hub oder nur mit kur- zem Hub durchgeführt werden, wobei die Hublänge bei einem kurzen Hub wesentlich kürzer als die axiale Bohrungslänge ist, beispielsweise weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 10% der axialen Längs der Bohrung.
Soll nur ein Teil der Bohrungsinnenfläche bearbeitet werden, so sind in der Regel kürzere Bearbeitungszeiten und weniger Antriebsleistung erforderlich, bei Verfahrensvarianten mit Materialzugabe ist weniger Zugabematerial erforderlich. Es ergeben sich also neben den technischen auch wirtschaftliche Vorteile.
Es ist auch möglich, dass Bearbeitungswerkzeuge verwendet werden, bei denen die Reibelemente wesentlich kürzer als die Bohrung sind. Wenn diese mit einem geeigneten axialen Hub betrieben werden, so kann eine Reibverfestigung im Wesentlichen über die gesamte Bohrungslänge erreicht werden. Die Verwendung von Bearbeitungswerkzeugen mit Reibelementen, die wesentlich kürzer als die Bohrungslänge sind, kann jedoch auch dazu benutzt werden, nur in ausgewählten axialen Abschnitten der Bohrung die Oberfläche durch Reibverfestigen zu modifizieren. Beispielsweise kann an Zylinderlaufflächen in Brennkraftmotoren die lokale Verfestigung nur an Stellen mit besonders hoher Belastung eingebracht werden, beispielsweise in Form eines Streifens in der Nähe oder am oberen Umsteuerpunkt der Kolbenbewegung und/oder in der Nähe oder am unteren Umsteuerpunkt der Kolbenbewegung. Die axiale Ausdehnung solcher in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Streifen kann weniger als die Hälfte der Bohrungslänge betragen, z.B. 40% oder weniger oder 30% oder weniger oder 20% oder weniger der axialen Bohrungslänge.
Auf diese Weise können an dem bearbeiteten Werkstück mindestens zwei in Axialrichtung der Bohrung benachbarte Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften erzeugt werden, wobei an mindestens einem der Bohrungsabschnitte eine durch Reibverfestigung erzeugte Reibverfestigungsschicht vorliegt. Ein anderer Bohrungsabschnitt kann bei der Reibverfestigungsoperation ausgespart bleiben und damit frei von einer Reibverfestigungsschicht sein.
Die Reibverfestigungsoperation kann die letzte Bearbeitungsoperation eines einstufigen oder mehrstufigen Feinbearbeitungsverfahrens sein. Die Reibverfestigungsoperation kann unmittelbar nach einer Vorbearbeitung durchgeführt werden, die z.B. ausgelegt ist, an der Innenfläche z.B. mittels Honen oder Laserstrukturieren oder mittels einer Kombination dieser Verfahren eine funktionelle Oberflächenstruktur zu erzeugen. Diese Struktur wird dann ggf. durch die Reibverfestigungsoperation noch leicht modifiziert.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird nach der Reibungsverfesti- gungsoperation eine materialabtragende Nachbearbeitungsoperation durchgeführt. Die Nachbearbeitungsoperation kann der Formgebung der Bohrung und/oder der Erzeugung einer funktionellen Oberflächenstruktur dienen. So ist beispielsweise eine Nachbearbeitung der mit der Reibverfestigungsschicht versehenen Innenfläche mittels Honen, Laserbelichten oder Laserstrukturieren oder mittels einer Kombination dieser Verfahren möglich.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes und entsprechend angepasstes Bearbeitungswerkzeug zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen. Das Bearbeitungswerkzeug hat mindestens ein Reibelement, das mindestens eine zum Reibkontakt mit der Innenfläche vorgesehene nicht-abrasive Kontaktfläche aufweist. Ein Reibelement ist im Bereich der vorzugsweise unnachgiebigen (starren) Kontaktfläche deutlich glatter als ein abrasives Bearbeitungselement, wie z.B. ein Honstein. Das Reibelement kann z.B. im Bereich der Kontaktfläche eine Oberflächεnrauheit Rz von weniger als 20 μrn oder von weniger als 10 μm und oder eine mittlere Rautiefe Ra von weniger als 1 μm oder weniger als 0.1 μm haben. Die Kontaktfläche kann durch Polieren geglättet sein.
Wenn das Reibelement zumindest im Bereich der für den Kontakt mit der Innenfläche vorgesehenen Kontaktfläche aus einem Material besteht, das gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff nicht-adhäsiv ist, so ist eine besonders störungsfreie Aufheizung bzw. Eine wirkungsvolle Kaltverfestigung des Werkstückes ohne nennenswerten Materialabtrag möglich. Ein Reibelement, beispielsweise eine Reibleiste oder Reibschale, kann zumindest im Bereich der Kontaktfläche aus einem keramischen Werkstoff wie Siliziumnitrid, kubischem Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder dergleichen bestehen. Insbesondere Siliziumnitrid (SiaN-O hat sich für die Bearbeitung von Leichtmetallwerkstoffen auf Basis von Aluminium als sehr günstig herausgestellt, da es gegenüber dieser Werkstoffgruppe weitgehend inert ist und insbesondere durch aluminiumhaltiges Schmelzen nicht oder kaum benetzt wird. Auch hochtemperaturfeste metallische Werkstoffe, wie Hartmetalle, Wolfram, Molybdän oder Inconel können für die Reibelemente bzw. den Bereich der in Kontakt mit dem Leichtmetallwerkstoff kommenden Kontaktfläche verwendet werden. Auch Reibelemente, die im Wesentlichen aus Kobalt oder einer Kobaltlegierung bestehen, sind möglich. Dieses Material hat sich insbesondere als wenig adhäsiv gegenüber Aluminiumwerkstoffen herausgestellt. Bei Temperaturen unterhalb der Graphiti- sierungstemperatur von Diamant sind auch diamantartige Werkstoffe wie PKD (Polykristalliner Diamant) oder MKD (Monokristalliner Diamantwerkstoff) verwendbar, die besonders verschleifest sind. Auch Reibelemente, die eine oberflächlich glatte DLC (Diamond Like Carbon) Schicht auf einem z.B. keramischen oder metallischen Trägerelement aufweisen, sind verwendbar. Oberhalb der Graphitisierungstemperatur von Diamant kann z.B. kubisches Bornitrid für die Reibelemente verwendet werden, insbesondere wenn unter besonders verschleißträchtä- gen Bedingungen gearbeitet wird.
Vorzugsweise ist eine Möglichkeit zur Innenkühlung des Bearbeitungswerkzeuges vorgesehen, um die Reibelemente und/oder die Reibleisten tragende Tragelemente, z.B. Tragleisten, während der Reibverfesti- gungsoperation zu kühlen. Hierzu kann das Bearbeitungswerkzeug nicht zu einem Aufweitsystem gehörende Fluidkanäle zur Führung von Kühlfluid (normalerweise eine Kühlflüssigkeit) von einem Kühlmittelbehälter in das Bearbeitungswerkzeug haben.
Das Bearbeitungswerkzeug sollte aktiv oder passiv expandierbar bzw. aufweitbar sein, um in rotationssymmetrischen Bohrungen nach der Einführung einen allseitigen reibungsfördernden Anpressdruck aufbringen zu können. Eine aktive Aufweitung kann durch ein geeignetes Zustellsystem erreicht werden. Eine passive Aufweitbarkeit kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Reibelemente in Radialrichtung des Bearbeitungswerkzeuges beweglich und ggf. federnd gelagert sind, so dass sich bei schneller Drehung des Bearbeitungswerkzeuges durch Fliehkräfte nach radial außen wirkende Kräfte ergeben, die den Anpressdruck der Reibelemente an der Bohrungsinnenfläche bestimmen.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete und entsprechend angepasste Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück. Es kann sich z.B. um eine speziell konfigurierte Honmaschine oder um ein speziell konfiguriertes Bearbeitungszentrum oder um eine speziell konfigurierte Bohrspindel handeln. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkstück, welches zumindest im Bereich einer Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, wobei die Bohrung eine im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstückes träbologäsch beanspruchte Innenfläche hat. Das Werkstück hat nach einer Bearbeitung der Innenfläche und vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch in einer der Innenfläche nahen Randzone des Werkstückes eine Reibungsverfestigungsschicht. Das Werkstück kann z.B. ein Motorblock oder eine Zylinderlaufbüchse für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Bohrung mit einer als Zylinderlauffläche dienenden Innenfläche sein.
Vorzugsweise besteht das Werkstück zumindest im Bereich der Bohrung, ggf. auch praktisch vollständig, im Wesentlichen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer Aluminium- Silizium-Legierung, z.B. einer untereutektischen oder eutektischen Al-Si- Legierung.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Honmaschine, die als Bearbeitungsmaschine zur Durchführung von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden kann; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten des Aufweitsystems der in Fig. 1 gezeigten Honmaschine zusammen mit einem modifizierten Honwerkzeug, das für eine Reibungsverfes- tigungsoperation in einem gehonten Werkstück genutzt werden kann;
Fig. 3 zeigt verschiedene Phasen einer Ausführungsform eines Bearbeitungsverfahrens, welches eine Reibungsverfestigungsopera- tion umfasst, bei der ein oberflächennaher Bereich der Bohrungsinnenfläche teilweise aufgeschmolzen wird; und
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Bearbeitungsverfahrens, welches eine Reibverfestigungsoperation umfasst, bei der im Bereich der Werkstückoberfläche eine Kaltverfestigungsschicht erzeugt wird (4a), wobei nachfolgend in einer Honoperation die verfestigte Oberfläche noch durch Riefen strukturiert wird (4B).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Fig. 1 ist schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um einerseits in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen und um andererseits am gleichen Werkstück auch eine Reibungsverfestigungsoperation zur Erzeugung einer oberflächennahen Verfestigungsschicht in einer der Innenfläche nahen Randzone des Werkstückes zu erzeugen. Auf dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. Der Motorbiock besteht praktisch voiistän- dig aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie z.B. einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Si-Anteil von ca. 9 Gew.-%. In dem durch ein Druck-, Sand oder Niederdruck-Gussverfahren hergestellten monolithischen Motorblock sind mehrere Zylinderbohrungen mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet. Die durch die Innenflächen der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honprozesse erzeugt wird. Außerdem werden die Zylinderlaufflächen durch eine rei- bungsinduzierte Gefügeumwandlung in einer oberflächennahen Schicht (Reibverfestigungsschicht) gehärtet.
Bei der zweispindligen Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen Trägerkonstruktion 108 zwei im wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindelkasten 114, der die als Werkzeugspindel der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelmotors 118 um ihre Längsachse drehen.
Der mit dem Spindelmotor ausgestattete Drehantrieb ist dafür ausgelegt, Drehzahlen der Werkzeugspindel bis in den Bereich von 10000 min"1 oder darüber zu erzeugen. Hierzu ist ein spezieller Motor mit einen geeigneten Übersetzungsgetriebe vorgesehen. Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange 120 angebracht, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 130 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist. Ein auf dem Spindeikasten 114 montierter Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstückes eine vertikale Hin- und Herbewegung ausführt.
Die Honmaschine ist mit einem in Fig. 2 schematisch gezeigten Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig voneinander betätigbare Zustelleinrichtungen umfasst, die unterschiedlichen Sätzen von Bearbeitungselementen am Honwerkzeug zugeordnet sind. Eine hydraulisch betätigbare erste Zustelleinrichtung 150 umfasst einen Hydraulikzylinder 151 , in dem ein beidseitig mit Hydraulikdruck beaufschlagbarer Kolben sitzt, der an einem Ende einer Druckstange 152 befestigt ist. Diese lässt sich dementsprechend durch Steuerung des Hydraulikdrucks innerhalb des Hydraulikzylinders parallel zu ihrer Längsachse in beide Richtungen gesteuert bewegen. Die massive Druckstange 152 ist innerhalb einer hohlen Druckstange 162 koaxial mit dieser und relativ zu dieser beweglich angeordnet. Die hohle Druckstange gehört zu einem elektromecha- nischen zweiten Zustellsystem 160, dessen Antrieb durch einen elektrischen Schrittmotor 161 gebildet wird, der über ein geeignetes Getriebe 163 auf die äußere, hohle Druckstange 162 wirkt, um diese parallel zur gemeinsamen Achse der Druckstangen auf- und ab zu bewegen.
Das am unteren, freien Ende der Gelenkstange 120 angekoppelte Honwerkzeug 130 hat einen zu seiner Werkzeugachse 131 im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkzeug körper 132, der an seinem oberen Ende nicht näher gezeigte Kupplungsstrukturen zur lösbaren Befestigung des Honwerkzeuges an der Gelenkstange aufweist. Die Kupp- lungsstrukturen können beispielsweise so gestaltet sein, dass das Werkzeug nach Art einer Bajonettverbindung an der Gelenkstange befestigt werden kann.
An dem Werkzeugkörper sind zwei unabhängig voneinander betätigbare Sätze von Bearbeitungselementen radial beweglich gelagert. Der erste Satz von Bearbeitungselementen umfasst drei oder mehr gleichmäßig um den Umfang des Honwerkezeuges verteilte Honleisten 170, die an der Außenseite von innerhalb des Werkzeug körpers radial beweglich geführten Honleistenträgern 171 befestigt sind. Die Honleistenträger 171 haben an ihrer Innenseite jeweils am oberen und unteren Endbereich Schrägflächen 173, die nach Art eines Keilantriebes mit Konusflächen 174 des ersten Zustellsystems derart zusammenwirken, dass eine Axialbewegung der inneren Druckstange 152 der ersten Zustelleinrichtung eine radiale Parallelverschiebung der Honleisten 170 senkrecht zur Werkzeugachse 131 gegen die nach radial innen wirkende Zugkraft von Rückholfedern bewirkt.
Der zweite Satz von Bearbeitungselementen, die in Umfangsrichtung zwischen den Honleisten 170 angeordnet sind, umfasst Reibelemente 180, die an der radialen Außenseite von Trägerleisten 181 befestigt sind, welche innerhalb des Werkzeugkörpers gegen die nach innen wirkende Kraft von Rückstellfedern radial beweglich geführt sind. Normalerweise sind zwischen zwei und sechs in Umfangsrichtung versetzte Reibelemente vorgesehen, ggf auch mehr oder weniger. Die Trägerleisten haben im oberen und unteren Endbereich nach innen gerichtete Schrägflächen 183, die mit korrespondierenden Konusflächen 184 der zweiten Zustellvorrichtung einen Keilantrieb bilden, so dass eine axiale Bewegung der hohlen Druckstange 162 zu einer Radialbewegung der zweiten Bearbeitungselemente 180 am Werkzeugkörper führt. Bei den Reibelementen handelt es sich um nicht-schneidende Reibleisten aus Siliziumnitrid mit einer relativ glatten, schneidkantenfreien, zum Reibkontakt mit der Zylinderlauffläche vorgesehenen Kontaktfläche. Die Kontaktfläche ist zylindrisch gekrümmt, mit einer der Krümmung dar Innenfläche angepassten Krümmung. Die polierte Kontaktfläche hat eine Oberflächenrauheit Rz von weniger als 5 bis 10 μm. Das Siliziumnitrid ist einphasig (im Wesentlichen keine Bindemittel aus anderem Material), um eine nicht-abrasive Kontaktfläche zu bilden. Die leistenförmigen Reibelemente sind in Umfangsrichtung relativ breit (mehr als 5 mm, z.B. 6 bis 8 mm), um einen großflächigen Gleitreibkontakt mit der Bohrungsinnenfläche zu ermöglichen. Auch die Tragleisten und ggf. der Aufweitkonus können aus dem gleichen Material bestehen, wodurch eine gegenüber herkömmlichen Honwerkzeugen verbesserte Temperaturbeständigkeit erreicht wird.
Die Honmaschine umfasst weiterhin ein nicht näher dargestelltes erstes Fluidkanalsystem, das dazu dient, gegen Ende der Reibverfestigungs- operation eine Kühlflüssigkeit auf die durch Reibungswärme aufgeheizte und ggf. teilweise aufgeschmolzene Innenfläche der Bohrung zu leiten. Die Fluidkanäle reichen von einen Kühlflüssigkeitsbehälter 190 bis zu Auslassdüsen, die am Bearbeitungswerkzeug in der Nähe der Reibleisten in Umfangsrichtung zwischen diesen und/oder im Bereich der Reibleisten nach radial außen münden. Über das Kühlsystem werden auch die Tragleisten der Reibelemente von innen gekühlt.
Ein weiteres nicht dargestelltes zweites Fluidkanalsystem führt von einer Druckluftquelle zu mehreren, am Umfang des Bearbeitungswerkzeuges angebrachten Blasdüsen. Dieses pneumatische System dient der Trocknung der Werkstückoberfläche unmittelbar vor der Reibungsverfestigungsoperation. Im Folgenden wird im Zusammenhang mit Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Leichtmetall-Motorblöcken aus einer untereutekti- schen Aluminium-Silizium-Legierung beschrieben. Diese Ausführuπgs- form umfasst eine Reibverfestigungsoperation mit reibungswärmeinduzierter Gefügeumwandlung.
Die Teilfiguren von Fig. 3 zeigen jeweils senkrecht zur Zylinderbohrungsachse verlaufende Schnitte durch das Werkstück 306 im Bereich von dessen innenzylindrischer Innenfläche 310, die beim fertig bearbeiteten Motorblock als Zylinderlauffläche und damit als Reibpartner für die am Kolben getragenen Kolbenringe dient.
Vor dem Aufspannen des Motorblocks auf die Aufspann platte der Honmaschine, d.h. in die für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte vorgesehene Bearbeitungsposition, werden die Zylinderbohrungen durch Feindrehen oder vergleichbare spanabhebende Bearbeitung so weit vorbereitet, dass die gewünschte Endform und Oberflächenstruktur in den nachfolgenden Schritten des Feinbearbeitungsprozesses durch Bearbeitung mit der Honmaschine erzielt werden können. Die Feinbohroperation kann dazu benutzt werden, die gewünschte Position und Winkellage der Bohrung exakt festzulegen. Die Feinbohroperation wird mit einem Feinbohrwerkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide durchgeführt, was der Innenfläche eine charakteristische Struktur mit spiralförmig umlaufenden Rillen verleiht. Alternativ zum Feinbohren können auch andere spanende Verfahren mit starkem Materialabtrag eingesetzt werden, beispielsweise das Schrupphonen oder eine Leistungsfeinhon- bearbeitung gemäß der EP 1 932 620 A1. Sofern die Bohrung bereits die gewünschte Position und Winkellage hat, kann diese erste Operation des Verfahrens auch entfallen. Typischerweise schließt sich eine üblicherweise als „Vorhonen" bezeichnete Honoperation mit relativ grobkörnigen Schneidkörnern und hoher Zerspanleistung an, um die gewünschte Makroform der Bohrung weitgehend festzulegen und die aus der Vorbearbeitung resultierenden Formfehler sowie eventuelle Durchmesserstreuungen zu verringern. Typische Abträge beim Vorhonen können beispielsweise zwischen 40 μm und 70 μm bezogen auf den Durchmesser der Bohrung liegen. Die resultierende vorgehonte Innenfläche hat dabei typischerweise Rauheiten Rz im Bereich 10 μm und 30 μm. Die aus dem Vorhonen resultierende Struktur der Innenfläche 310 am Werkstück 306 ist in der Fig. 3A schematisch gezeigt.
Zur Unterstützung dieser grob spanenden Bearbeitungsprozesse werden normalerweise wasserhaltige Kühlschmierstoffe oder Honöle eingesetzt, um die bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehenden Bearbeitungsrückstände abzutransportieren sowie um das Bearbeitungswerkzeug und das damit bearbeitete Werkstück auf moderate Temperaturen zu kühlen, die in der Regel nicht wesentlich über 400C liegen.
Zur Vorbereitung der nachfolgenden Reibverfestigungsoperation, die anhand von Fig. 3B näher erläutert wird, wird die mit Resten von Kühlschmierstoff benetzte vorgehonte Oberfläche zunächst in einem Trocknungsschritt getrocknet, d.h. von flüssigen Kühlschmierstoffrückständen befreit. Hierzu wird mit Hilfe einer oder mehrerer Druckluftdüsen 320 Druckluft auf die vorgehonte Oberfläche 310 geblasen. Das Vorhon- werkzeug kann hierzu ein Fluidkanalsystem enthalten, dessen Kanäle in Druckluftdüsen münden, die auf die Innenfläche der bearbeiteten Bohrung gerichtet sind. Die Fluidkanäle sind an das Pneumatiksystem der Honmaschine angeschlossen. Nach dem Trocknungsschritt ist die vorgehonte Innenfläche weitestgehend trocken und frei von Bearbeitungsrückständen vorgehender Bearbeitungsstufen. Die nächste Bearbeitungsoperation, nämlich die Reibungsverfesti- gungsoperation, wird mit Hilfe eines modifizierten Honwerkzeuges 130 mit zweifacher Aufweitung durchgeführt, an dessen Umfang sich mehrere Reibelemente 180 befinden, die an der radialen Außenseite von Trägerleisten befestigt sind, welche innerhalb des Werkzeugkörpers des Honwerkzeuges in Radialrichtung zustellbar sind (vgl. Fig. 2). Die Reibelemente bestehen im Bereich der der Innenflächen 310 zugewandten Kontaktfläche 181 aus Siliziumnitrid und bilden eine weitgehend glatte, nicht spanabhebend wirkende, d.h. nicht-abrasive Kontaktfläche zur Oberfläche des Leichtmetallwerkstoffes. Nachdem die Reibelemente durch Expandieren (Durchmesservergrößerung) des Bearbeitungswerkzeuges in Kontakt mit der Innenfläche gebracht wurden, wird der Drehantrieb der Honmaschine auf Drehzahlen deutlich über 500 min'1 beschleunigt, wobei die Drehzahlen häufig im Bereich zwischen 5000 min"1 und 10000 min'1 oder auch darüber liegen können. Dadurch werden die Reibelemente mit sehr hoher Relativgeschwindigkeit gegenüber der Innenfläche der Bohrung bewegt und gleiten auf dieser unter einem vorgegebenen Anpressdruck ab. Hierdurch entsteht im Kontaktbereich zwischen Werkstückoberfläche und Reibelement in erheblichem Ausmaß Reibungswärme, die sich in einer oberflächennahen Zone bzw. Schicht des thermisch gut leitenden Werkstoffes ausbreitet und diese Zone aufheizt. Einer gleichzeitigen Aufheizung des Werkzeugkörpers wird durch die Innenkühlung der Tragleisten entgegengewirkt. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die untereutektische Aluminium-Silizium- Legierung durch die Reibungswärme in der oberflächennahen Zone über die zugehörige Schmelztemperatur Ts (z.B. auf 6000C bis 6500C) aufgeheizt, so dass der Werkstoff in einer oberflächennahen Zone teilweise aufschmilzt und eine Schmelzschicht 312 bildet. Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen und des relativ geringen aufzuschmelzenden Volumens sind für die Reibverfestigungsoperation nur sehr geringe Bearbeitungszeiten erforderlich, die typischerweise im Bereich von weniger als 5 s liegen. Die Dicke der Schmelzschicht ist stark von der Verfahrensführung abhängig und liegt typischerweise bei einigen μm (z.B. zwischen 10 μm und 100 μm), ggf auch darüber.
Sobald der oberflächennahe Bereich des Werkstückes die Schmelztemperatur überschritten hat, was gegebenenfalls durch einen Temperatursensor überwacht werden kann, werden die Reibelemente druckentlastet und zurückgezogen. Gleichzeitig wird die Drehgeschwindigkeit der Arbeitsspindel wieder reduziert. Dadurch wird die „Wärmequelle" für das oberflächennahe Aufschmelzen quasi „ausgeschaltet", so dass die teilweise aufgeschmolzene oberflächennahe Schicht wieder erstarrt. Das Erstarren kann durch eine aktive Kühlung des gesamten Werkstückes unterstützt werden, wobei dann die Wärmeabfuhr überwiegend in das Innere des Werkstückes erfolgt.
Wenn eine schnellere Abkühlung gewünscht ist, kann dies dadurch erreicht werden, dass in der Endphase der Reibverfestigungsoperation die Innenfläche der aufgeheizten Bohrung mit Hilfe eines Kühlfluides besprüht oder bestrahlt wird. Bei dem anhand der Fig. 3C erläuterten Ausführungsbeispiel hat das Bearbeitungswerkzeug ein Fluidkanalsystem, dessen Fluidkanäle an der Außenseite des Bearbeitungswerkzeuges in Kühldüsen 330 münden, die auf die Werkstückoberfläche gerichtet sind. Maschinenseitig ist das Fluidkanalsystem an einen Kühlmitteltank 190 angeschlossen.
Durch die Reibverfestigungsoperation wird im Bereich der Innenfläche der Bohrung eine oberflächennahe Schicht 350 erzeugt, deren Gefüge sich deutlich vom Gefüge des darunter liegenden Gusswerkstoffes unterscheidet. Abhängig von dem während der Reibverfestigungsoperation erzeugten Temperatur-Zeit-Profils können in der oberflächennahen Schicht beispielsweise wesentlich höhere Druckeigenspannungen vor- liegen als im darunter liegenden, durch einen Gussprozess erzeugten Material. Hierdurch hat die oberflächennahe Schicht eine gegenüber dem Volumenmaterial erhöhte mechanische Festigkeit. Außerdem wird durch die Reibverfestigungsoperation eine Steigerung der Härte des Materials und damit eine erhöhte Verschleißfestigkeit erzielt. Die mit Hilfe des Reibverfestigens erzeugten Oberflächenwerkstoffe sind für starke tribologische Beanspruchungen bestens geeignet. Durch Variation Verfahrensverführung bei der Reibverfestigungsoperation können zudem unterschiedliche Eigenschaften der oberflächennahen Schicht 350 hinsichtlich Druckeigenspannungen, Härte, Gefügestruktur etc. erzielt werden.
Die Reibverfestigungsoperation kann die letzte Bearbeitungsoperation des Feinbearbeitungsverfahrens sein, so dass die durch die Reibverfestigungsoperation erzeugte, nicht nachbearbeitete Werkstückoberfläche direkt als Reibpartner für Kolbenringe im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Motors dient. Häufig ist es jedoch günstig, wenn sich an die Reibungsverfestigungsoperation noch eine Nachbearbeitung zur Erzeugung einer funktionellen Oberflächenstruktur und/oder eine Bearbeitung zur Veränderung der Formgebung anschließt. Bei der anhand von Fig. 3 erläuterten Ausführungsform wird im Anschluss an die Reibungsverfestigungsoperation noch eine Honoperation durchgeführt, um der freien Oberfläche des oberflächlich gehärteten Werkstoffes eine Kreuzschliff struktur zur Verbesserung der ölhaltigkeit zu verleihen (Fig. 3B). Hierzu werden bei dem Werkzeug 130 nach Rückzug der Reibelemente 180 die Honleisten 170 nach radial außen zugestellt, um die Innenfläche durch Honen fertig zu bearbeiten. Dabei entstehen in der erstarrten Schicht Honriefen 311 mit typischen mittlere Tiefen von einigen Mikrometern.
Anhand von Fig. 4 wird eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens mit Reibverfestigungsoperation beschrieben, mit dem ein Werkstück 406 aus einer eutektischen Aluminium-Siliziumlegierung (ca. 12,5 Gew.-% Si) im Bereich einer zylindrischen Bohrung bearbeitet wird. Die Vorbearbeitung der Bohrung incl. Feindrehen und Vorhonen und Trocknen kann so erfolgen wie im Zusammenhang mit Fig. 3A beschrieben.
Bei dieser Verfahrensvariante sind die Bearbeitungsparameter der Reib- verfestigungsoperation so gewählt, dass es in der an die Innenfläche 410 angrenzenden, oberflächennahen Schicht 450 bei relativ niedrigen Temperaturen zu einer plastischen Umformung des Gefüges des Leichtmetallwerkstoffes kommt, welche zu einer Festigkeitssteigerung mittels Kaltverfestigung führt. Hierzu werden die Reibelemente 180 aus bindemittelfreiem (einphasigen) Siliziumnitrid mit einem relativ starken Anpressdruck an die Innenfläche angedrückt. Die zum Kontakt mit der Innenfläche vorgesehene, glatt polierte, unnachgiebige (starre) Kontaktfläche 181 hat eine der zylindrischen Krümmung der Bohrung angepass- te konvex-zylindrische Krümmung, um einen großflächigen Anpresskontakt zur Innenfläche sicherzustellen. Es wird eine Arbeitsbewegung mit mehrfacher Bewegungsrichtungsumkehr erzeugt. Hierzu kann der Drehantrieb so angesteuert werden, dass sich die Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeuges während der Dauer der Reibverfestigungsoperation mehrfach ändert, so dass das Bearbeitungswerkzeug in der Bohrung hin und her gedreht wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine axial oszillierende Arbeitsbewegung vorgesehen sein. Günstig für die Erzeugung einer Kaltverfestigungsschicht ist die mechanische Wechselbeanspruchung der oberflächennahen Schicht durch die großflächig angedrückten Reibelemente. Hierdurch werden im polykristallinen Leichtmetallwerkstoff direkt unterhalb der Innenfläche 410 Versetzungsbewegungen induziert und es können ganze Kristallbereiche auf Gleitebenen abgleiten. An den Korngrenzen des relativ weichen Werkstoffes kann es zu einem Aufstau von Versetzungen und zum gegenseitigen Blockieren von weiteren Versetzungsbewegungen kommen, wodurch eine Verfestigung des Leichtmetallwerkstoffs bei gleichzeitiger Reduzierung der Duktilität erzielt wird. In Fig. 4A1 B sind einige durch die mechanische Wechselbeanspruchung induzierte Kristallbaufehler 451 schematisch dargestellt, deren Dichte innerhalb der Kaltverfestigungsschicht 450 deutlich höher ist als im darunterüegenden, chemisch identischen Volumenrnateriai 452. Auf diese Weise kann ein monolithisches Werkstück hergestellt werden, das im Bereich der Bohrungsinnenfläche 410 eine wesentlich höhere Festigkeit hat als tiefer im Volumen des Materials.
An die Reibverfestigungsoperation schließt sich bei dieser Verfahrensvariante noch eine Honoperation an, durch die an der Oberfläche durch mechanisch spanabhebende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmten Schneiden Honriefen 411 erzeugt werden, deren mittlere Tiefe im Beispielsfall etwa der Schichtdicke der Kaltverfestigungsschicht 450 entspricht (einige μm Tiefe).
Bei einer anderen Verfahrensvariante wird die Reihenfolge von Reibverfestigungsoperation und Strukturierungsoperation umgekehrt. Zunächst wird eine Strukturierungsoperation (z.B. Honen oder Laserstrukturieren) durchgeführt, um eine definierte Oberflächenstruktur mit vertieften Bearbeitungsriefen an der Innenfläche des Werkstückes zu erzeugen. Danach wird die strukturierte Oberfläche in einer Reibverfestigungsoperation kaltverfestigt. Dabei werden einige der an der Oberfläche vorhandenen Profilspitzen des Werkstückes plattgedrückt bzw. umgebogen, die tieferen Riefen aber verbleiben und werden allenfalls etwas zusammengedrückt. Hierdurch entsteht ein oberflächlich verfestigter Werkstoff mit besonders hohem Traganteil der strukturierten Oberfläche.
Je nach Wirktiefe der Reibverfestigungsoperation und Materialabtrag beim nachfolgenden oder vorhergehenden Strukturieren kann die mittlere Tiefe der Bearbeitungsspuren kleiner oder größer sein als die Schichtdicke der Reibungsverfestigungsschicht oder etwa dieser Schichtdicke entsprechen. Insbesondere bei Werkstücken aus einer untereutektischen oder eutek- tischen Al-Si-Legierung hat es sich als günstig herausgestellt, wenn bei der Honbearbeitung der zylindrischen Innenfläche Honspuren erzeugt werden, die gegenüber der Axialrichtung nur relativ kleine Winkel bis beispielsweise max. 30° oder max. 40° einschließen. Dadurch kann erreicht werden, dass die in das immer noch relativ weiche Grundmaterial eingebrachten Honriefen beim Gebrauch als Gleitfläche für Kolbenringe nicht zusammengedrückt und teilweise zugeschmiert werden. Um die sich überwiegend in Axialrichtung erstreckenden Honspuren zu erzeugen, kann z.B. bei der Bearbeitung mittels Honen ein Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente des Bearbeitungswerkzeuges zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt werden, so dass sich die für das „Spiralgleithonen" typischen Honspur-Geometrien ergeben, worin Honspuren relativ große Honwinkel von beispielsweise mehr als 120° und weniger als 170° (entsprechend Winkel zur Axialrichtung zwischen 30° und 5°) einschließen. Spi- ralgleithon-Verfahren werden beispielsweise in der DE 196 07 774 B4 beschrieben.
Die schematische runde Einsatzfigur in Fig. 4B zeigt eine Draufsicht auf die Innenfläche 411 , die eine Kreuzschliffstruktur hat, bei der die Honspuren 411 einen Honwinkel HW von ca. 140° einschließen, was einem Winkel WA zur Axialrichtung AX der Bohrung von ca. 20° entspricht.
Bearbeitungsspuren nach Art von Honriefen können auch durch Laser- strukturierung mittels fokussiertem und geeignet angesteuertem Laserstrahl erzielt werden.
Beide Verfahrensvarianten, d.h. sowohl die anhand von Fig. 3 beispielhaft erläuterte thermische Gefügeumwandlung (ggf. mit Aufschmelzen) als auch die anhand von Fig. 4 beispielhaft erläuterte oberflächennahe Kaltverfestigung führen zu Werkstücken, die im Bereich der bearbeiteten Oberfläche wesentlich härter und fester sind als im darunterliegenden Voiumenwerkstoff, ohne das hierfür eine Beschichtung oder eine gesondertes Element aus einem anderen Material aufgebracht werden muss. Dadurch ist es insbesondere möglich, untereutektische Aluminium- Sillizium-Legierungen, d.h. Al-Si-Legierungen mit einem Si-Gehalt von weniger al s 12,5 Gew.-%, oder eutektische oder nahe-eutektische AIu- minium-Sillizium-Legierungen, in monolithischen Werkstücken zu nutzen, ohne dass sich die spezifischen Nachteile dieser Volumenmaterialien nachteilig auf die tribologischen Eigenschaften der Innenfläche auswirken.
Bei Motorblöcken aus einer untereutektischen Al-Si-Legierung kann z.B. durch eine Reibverfestigungsoperation, die zu einer innenflächennahen Kaltverfestigungsschicht führt, die Neigung zum Fressen mit dem Reibpartner Kolbenring erheblich reduziert werden. Dadurch lassen sich vor allem die Kaltstarteigenschaften dieser Motoren verbessern und die Gefahr von Kolbenfressern in der Einlaufphase wird signifikant reduziert.
Wenn eine oberflächennahe Partikelverstärkung für das bearbeitete Werkstück gewünscht ist, können die oben beschriebenen Verfahrensvarianten dadurch modifiziert werden, dass vor und/oder während der Reibverfestigungsoperation feine faserige und/oder körnige Feststoffpartikel in Form eines geeigneten Pulvers odgl. in die Bearbeitungszone eingebracht werden und bei der Reibverfestigungsoperation in die oberflächennahe Schicht eingebaut werden. Typische mittlere Partikelgrößen können z.B. unterhalb 100 μm liegen. In den durch lokales Aufschmelzen erzeugten Reibverfestigungsschichten finden sich die Verstärkungspartikel typischerweise relativ gleichmäßig in der gesamten Schicht verteilt, während die Verstärkungspartikel in kaltverfestigten Oberflächenschichten nur in unmittelbarer Nähe der Innenfläche zu fin- den sind und teilweise offen liegen, weil sie mittels der Reibelemente lediglich mechanisch in die relativ weiche Leichtmetallmatrix hineingedrückt werden.
Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich um eine weitgehend konventionell aufgebaute Honmaschine handeln, deren Drehantrieb ggf. modifiziert sein kann, um die für das Aufschmelzen günstigen hohen Drehzahlen erzeugen zu können. Gesonderte Fluidkanalsysteme für Kühlfluid zum Kühlen bzw. Abschrecken der Werkstückoberfläche und für eine pneumatische Trocknung der Innenfläche vor der Reibverfesti- gungsoperation können vorgesehen sein. Auch konventionelle oder ggf. modifizierte Bearbeitungszentren können als Bearbeitungsmaschinen genutzt werden, insbesondere wenn sie dafür ausgelegt sind, mit aufweitbaren Bearbeitungswerkzeugen zu arbeiten.
Anstelle des klassischen Honens kann nach der Reibverfestig ungsope- ration auch eine andere Endbearbeitungsoperation zur Erzeugung definierter Oberflächeneigenschaften des Werkstückes durchgeführt werden, beispielsweise eine Oberflächenstrukturierung der Oberfläche mit Hilfe von Laserstrahlung, um beispielsweise das Gefüge der kurzzeitig aufgeschmolzenen und danach wieder erstarrten Oberflächeschicht 350 zumindest im Bereich der freien Oberfläche noch zu verändern.
Einige vorteilhafte Varianten der Erfindung wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die aus dem Bereich der Feinbearbeitung von Innenflächen an Motorblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) aus Aluminiumbasierten Leichtmetallwerkstoffen stammen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Feinbearbeitung solcher Werkstücke beschränkt. So können nicht nur Teile für Verbrennungsmotoren oder Kompressoren mit dem Verfahren bearbeitet worden, sondern auch die Innenflächen von Rohren, die beispielsweise zur Extrusion verwendet werden können. Lagerflächen in Pleueln, Kolbenbohrungen oder dergleichen können ebenfalls bearbeitet werden.
Eine Reibverfestigungsoperation kann bei geeigneter Modifikation konventioneller Außenbearbeitungsverfahren auch bei der Bearbeitung von Werkstückaußenflächen vorgesehen sein, um z.B. konvex-zylindrische Lagerflächen an Kolbenbolzen oder anderen Werkstücken oberflächlich zu festigen.
Zu den mit Hilfe des Verfahrens bearbeitbaren Leichtmetallwerkstoffen gehören vor allem Magnesium und Aluminium sowie Legierungen auf Basis von Aluminium oder auf Basis von Magnesium, wobei die Zusammensetzung der Legierungsbestandteile jeweils so sein kann, dass eine Legierung untereutektisch, eutektisch oder übereutektisch ist. Es können auch die Innenflächen von Werkstücken aus sprühkompaktier- ten, übereutektischen Al-Si-Werkstoffen bearbeitet werden. Diese extrem feinkörnigen und relativ festen Werkstoffe werden z.B. zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen verwendet.
Die Leichtmetallwerkstoffe können frei von Hartstoffphasen sein, sie können jedoch auch durch eingeschlossene Hartstoffphasen verstärkt sein, wobei die Hartstoffphasen partikelförmig und/oder faserförmig sein können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, welches zumindest im Bereich der Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, bei dem während mindestens einer Bearbeitungsoperation ein Bearbeitungswerkzeug innerhalb der zur bearbeitenden Bohrung eine Arbeitsbewegung ausführt und mindestens ein an dem Bearbeitungswerkzeug angebrachtes Bearbeitungselement mechanisch auf die Innenfläche einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Reibverfestigungsoperation umfasst, bei der ein Bearbeitungswerkzeug mit mindestens einem Reibelement (180) verwendet wird, das eine zum Reibkontakt mit der Innenfläche (310, 410) vorgesehene Kontaktfläche (181) hat, wobei das Reibelement mit einer Relativgeschwindigkeit gegenüber der Innenfläche und mit einem reibungs- fördernden Druck derart über die Innenfläche bewegt wird, dass unter der Einwirkung von Gleitreibung und Druck im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Gleitreibung und Druck induzierte Reibver- festigungsschicht (350, 450) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , worin eine Schichtdicke der Reibverfestig ungsschicht (350, 450) im Bereich von einem Mikrometer bis zu einem Millimeter liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Reibverfestigungs- schicht (350, 450) im Wesentlichen durch spanloses Abgleiten des Reibelementes an der Innenfläche erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Bearbeitungsparameter der Reibverfestigungsoperation so eingestellt wer- den, dass in der an die Innenfläche der Bohrung angrenzenden Reibver- festigungsschicht (450) eine des Leichtmetallwerkstoffes induziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin Bearbeitungspararneter der Reibverfestigungsoperation so eingestellt werden, dass im Bereich nahe der Innenfläche des Leichtmetallwerkstoffs Temperaturen von maximal 150 0C1 insbesondere von weniger als 1000C erzeugt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, worin das Bearbeitungswerkzeug während der Reibverfestigungsoperation phasenweise so gedreht wird, dass sich die Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeuges während der Dauer der Reibverfestigungsoperation mehrfach ändert, so dass das Bearbeitungswerkzeug in der Bohrung hin und her gedreht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Bearbeitungsparameter der Reibverfestigungsoperation so eingestellt werden, dass in erheblichem Ausmaß Reibungswärme entsteht und unter der Einwirkung der Reibungswärme im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Reibungswärme induzierte Reibverfestigungsschicht (350) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin bei der Reibverfestigungsoperation in einer oberflächennahen Wärmeeinflusszone Temperaturen erzeugt werden, die phasenweise mindestens 50% der materialspezifischen Schmelztemperatur Ts des Leichtmetallwerkstoffes betragen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Leichtmetallwerkstoff während der Reibverfestigungsoperation im Bereich der Innenfläche unter dem Einfluss der erzeugten Reibungswärme mindestens teilweise aufgeschmolzen wird und anschließend unter Bildung einer Reibverfestigungsschicht (350) wieder erstarrt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, worin das Bearbeitungswerkzeug während der Reibverfestigungsoperation phasenweise mit einer Drehzahl von mehr als 500 min"1 gedreht wird, wobei die Drehzahl vorzugsweise mindestens phasenweise bei mehr als 5000 min"1 liegt, insbesondere im Bereich von 8000 min"1 bis 10000 min"1 .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, worin die Innenfläche nach einem reibungsinduzierten Aufheizen, insbesondere nach einem mindestens teilweisen Aufschmelzen des Leichtmetallwerkstoffes im Bereich der Innenfläche, durch Zufuhr eines Kühlfluids abgeschreckt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Reibverfestigungsoperation trocken durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin vor der Reibverfestigungsoperation eine materialabtragende Vorbereitung der Bohrung unter Verwendung eines flüssigen Bearbeitungshilfsstoffes durchgeführt wird und worin die Innenfläche vor Beginn der Reibverfestigungsoperation oder in einer Anfangsphase der Reibverfestigungsoperation in einem Trocknungsschritt zur Beseitigung von Flüssigkeitsresten aktiv getrocknet wird, wobei vorzugsweise bei dem Trocknungsschritt Druckluft oder ein anderes Druckgas auf die Innenfläche aufgeblasen wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin vor und/oder während der Reibverfestigungsoperation Feststoffpartikel und/oder Feststofffasern in die Bohrung eingeleitet und durch die Reibverfestigungsoperation in eine oberflächennahe Schicht an der Innenfläche der Bohrung in den Leichtmetallwerkstoff eingebaut werden, wobei Feststoffpartikel und/oder Feststofffasern vorzugsweise im Wesentlichen aus einem keramischem Material, insbesondere Silizium, Glas, MuIMt, Zirkonoxid, Magnesiumoxid oder aus einem harten metallischen Material, insbesondere aus Wolfram oder Molybdän, bestehen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin nach der Reibverfestigungsoperation eine Material abtragende oder Material umwandelnde Nachbearbeitungsoperation an der durch die Reib- verfestigungsschicht gefestigten Innenfläche durchgeführt wird, insbesondere eine Nachbearbeitungoperation mittels Honen, Laserbelichten und/oder Laserstrukturieren.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin vor der Reibverfestigungsoperation eine Material abtragende Strukturie- rungsoperation an der Innenfläche durchgeführt wird, insbesondere eine Strukturierungsoperation mittels Honen oder Laserstrukturieren.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin bei der Nachbearbeitungoperation oder bei der Strukturierungsoperation an der zylindrischen Innenfläche Bearbeitungsspuren erzeugt werden, die gegenüber einer Axialrichtung der Bohrung nur relativ kleine Winkel bis max. 30° einschließen, wobei vorzugsweise Winkel zur Axialrichtung zwischen 30° und 5° erzeugt werden.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Leichtmetallwerkstoff im Wesentlichen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht, insbesondere aus einer Aluminium- Silizium-Legierung, wobei der Leichtmetallwerkstoff vorzugsweise eine untereutektische oder eutektische Al-Si-Legierung ist.
19. Bearbeitungswerkzeug zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem zumindest im Bereich der Bohrung aus einem Leichtmetall Werkstoff bestehenden Werkstück, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brenn- kraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (130) mindestens ein Reibelement (180) aufweist, das mindestens eine zum Reibkontakt mit der Innenfläche vorgesehene nicht-abrasive Kontaktfiäche (181 ) aufweist.
20. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 19, worin das Reibelement (180) im Bereich der Kontaktfläche (181) eine Oberflächenrauheit Rz von weniger als 20 μm, insbesondere weniger als 10 μm hat, wobei die Kontaktfläche vorzugsweise durch Polieren geglättet ist.
21. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 19 oder 20, worin das Reibelement (180) zumindest im Bereich der für den Kontakt mit der Innenfläche vorgesehenen Kontaktfläche (181 ) aus einem Material besteht, das gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff nicht-adhäsiv ist.
22. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 19, 20 oder 21 , worin das Reibelement mindestens im Bereich der Kontaktfläche (181) aus einem vorzugsweise einphasigen keramischen Werkstoff, insbesondere aus Siliziumnitrid, oder aus einem hartmetallischen Werkstoff besteht.
23. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 19 bis 22, worin das Reibelement eine Reibleiste (180) oder Reibschale ist.
24. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 19 bis 23, worin das Bearbeitungswerkzeug Mittel zur Innenkühlung des Bearbeitungswerkzeuges aufweist, um das Reibelement und/oder das Reibelement tragende Tragelemente während der Reibverfestigungsoperation zu kühlen, wobei das Bearbeitungswerkzeug vorzugsweise nicht zu einem Aufweitsystem gehörende Fluidkanäle zur Führung von Kühlfluid enthält.
25. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 19 bis 24, worin das Bearbeitungswerkzeug (130) aktiv oder passiv derart aufweitbar ist.
26. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 19 bis 25, worin das Bearbeitungswerkzeug (130) an die Verwendung in einer Honmaschine (100) angepasst ist und eine Kupplungsstruktur zur lösbaren Befestigung des Bearbeitungswerkzeuges an einer Honspindel (116) hat.
27. Bearbeitungsmaschine zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zur Feinbearbeitung einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Werkzeugspindel zur Bewegung eines an die Werkzeugspindel angekuppelten Bearbeitungswerkzeuges innerhalb der Bohrung derart, dass durch mindestens ein an dem Bearbeitungswerkzeug angebrachtes Bearbeitungselement eine Bearbeitung der Innenfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine dafür konfiguriert ist, unter Verwendung eines Bearbeitungswerkzeuges nach einem der Ansprüche 19 bis 26 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 an dem Werkstück durchzuführen.
28. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 27, wobei die Bearbeitungsmaschine zur schnellen Drehung der Werkzeugspindel einen Spindelantrieb hat, der für maximale Drehzahlen von mehr als 500 min"1 ausgelegt ist, vorzugsweise für maximale Drehzahlen von mehr als 5000 min'1, insbesondere für maximale Drehzahlen im Bereich von 8000 min"1 bis 10000 min"1.
29. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Bearbeitungsmaschine eine Honmaschine (100) oder ein Bearbeitungszentrum ist.
30. Werkstück, welches zumindest im Bereich einer Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, wobei die Bohrung eine im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstückes tribologisch beanspruchte Innenfläche hat, insbesondere Motorbiock für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Bohrung mit einer als Zylinderlauffläche dienenden Innenfläche, wobei das Werkstück (106, 306, 406) nach einer Bearbeitung der Innenfläche und vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch in einer der Innenfläche (310, 410) nahen Randzone des Werkstückes eine unter der Einwirkung von Gleitreibung und Druck erzeugte Reibungsverfestigungsschicht (350, 450) aufweist.
31. Werkstück nach Anspruch 30, worin die Reibverfestigungsschicht (350, 450) chemisch im Wesentlichen identisch zum darunterliegenden Volumenmaterial des Leichtmetallwerkstoffes ist.
32. Werkstück nach Anspruch 30 oder 31 , worin eine Schichtdicke der Reibverfestigungsschicht (350, 450) im Bereich von einem Mikrometer bis zu einem Millimeter liegt.
33. Werkstück nach Anspruch 30, 31 oder 32, worin die Reibverfestigungsschicht (450) eine Kaltverfestigungsschicht ist.
34. Werkstück nach Anspruch 30, 31 oder 32, worin die Reibverfestigungsschicht (350) das Gefüge einer erstarrten Schmelzschicht hat.
35. Werkstück nach einem der Ansprüche 30 bis 34, worin an der Innenfläche Bearbeitungsspuren (411) vorliegen, die gegenüber einer Axialrichtung der Bohrung nur relativ kleine Winkel bis max. 30° einschließen, wobei vorzugsweise Winkel zur Axialrichtung zwischen 30° und 5° vorliegen.
36. Werkstück nach einem der Ansprüche 30 bis 35, worin das Werkstück mindestens zwei in Axialrichtung der Bohrung benachbarte Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften hat, wobei an mindestens einem der Bohrungsabschnitte eine durch Reibverfestigung erzeugte Reibverfestigungsschicht vorliegt.
37. Werkstück nach einem der Ansprüche 30 bis 36, worin der Leichtmetallwerkstoff im Wesentlichen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht, insbesondere aus einer Aluminium- Silizium-Legierung, wobei der Leichtmetallwerkstoff vorzugsweise eine untereutektische oder eutektische Al-Si-Legierung ist.
38. Werkstück nach einem der Ansprüche 30 bis 37, worin das Werkstück (106, 306, 406) im Wesentlichen vollständig aus dem Leichtmetallwerkstoff besteht.
39. Werkstück nach einem der Ansprüche 30 bis 38, worin das Werkstück ein Motorblock (106, 306, 406) oder eine Zylinderlaufbuchse und die Innenfläche (310, 410) eine Zylinderlauffläche ist.
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