WO2013091778A1

WO2013091778A1 - Kombinationswerkzeug und verfahren zur herstellung einer oberflächenstruktur mit hinterschnitten in einer oberfläche eines werkstücks

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Publication number: WO2013091778A1
Application number: PCT/EP2012/005005
Authority: WO
Inventors: Lutz Höhne; Klaus Stefan Klimek; Reinhard Vogelsang; Martin Kaluza
Original assignee: MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-06-27
Also published as: EP2794167A1; DE102011122415A1; EP2794167B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kombinationswerkzeug (1) für die Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten in einer Oberfläche eines Werkstücks, welches insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, wobei das Kombinationswerkzeug (1) zumindest zwei Führungsleisten (9), ein spanendes Schneidwerkzeug (5) und ein Umformwerkzeug (6) umfasst, das Schneidwerkzeug (5) mindestens einen Strukturierungszahn zur Ausbildung einer nutartigen Vertiefung in der Oberfläche aufweist und das Schneidwerkzeug (5) und das Umformwerkzeug (6) über die Führungsleisten (9) hinaus vorstehend angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten in einer Oberfläche eines Werkstücks, welches insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt gleichförmige, nutartige Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht werden und zeitversetzt dazu in einem zweiten Verfahrensschritt die zwischen den Vertiefungen angeordneten Stege derart plastisch verformt werden, dass sich in den Vertiefungen Hinterschnitte ausbilden. Um die plastische Verformung der Stegstruktur zur Bildung der Hinterschnitte mit wenig Kraftaufwand zu ermöglichen, sind erfindungsgemäß vorgesehen ein Kombinationswerkzeug (1), bei dem das Umformwerkzeug (6) eine Kugel oder ein Kugelabschnitt ist, und ein Verfahren, bei dem in dem zweiten Verfahrensschritt eine Kugel als Umformwerkzeug (6) zur plastischen Verformung zumindest eines Stegs entlang diesem bewegt wird.

Description

Beschreibung

Kombinationswerkzeug und Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit

Hinterschnitten in einer Oberfläche eines Werkstücks

Die Erfindung betrifft ein Kombinationswerkzeug für die Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten in einer Oberfläche eines Werkstücks, welches insbesondere ein

Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, wobei das Kombinationswerkzeug zumindest zwei Führungsleisten, ein spanendes Schneidwerkzeug und ein Umformwerkzeug umfasst, das Schneidwerkzeug mindestens einen Strukturierungszahn zur Ausbildung einer nutartigen Vertiefung in der Oberfläche aufweist und das Schneidwerkzeug sowie das Umformwerkzeug über die Führungsleisten hinaus vorstehend angeordnet sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten in einer Oberfläche eines Werkstücks, welches insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt gleichförmige, nutartige Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht werden und zeitversetzt dazu in einem zweiten Verfahrensschritt die zwischen den Vertiefungen angeordneten Stege derart plastisch verformt werden, dass sich in den Vertiefungen Hinterschnitte ausbilden.

Ein Verfahren der genannten Art ist aus der Druckschrift DE 10 2009 027200 B3

beziehungsweise der Druckschrift DE 20 2009 014 180 U1 bekannt. Diese zeigt ein Verfahren zum Aufrauen einer Metalloberfläche zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt gleichförmige Nuten, insbesondere Rechteck- und/oder Trapeznuten, in die Metalloberfläche eingebracht werden, insbesondere durch ein Verfahren wie Drehen, Bohren, Fräsen oder Walzen. und bei dem in einem zweiten Verfahrensschritt zwischen den Nuten angeordnete Nutenstege plastisch verformt werden, um Hinterschnitte in den Nuten auszubilden, wobei sich der Grad der plastischen Verformung der Nutenstege in Längsrichtung der Nuten regelmäßig ändert.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus der Druckschrift DE 102009028 040 A1 bekannt. Diese zeigt ein Kombinationswerkzeug für die Herstellung einer Oberflächenstruktur mit verbesserter Haftung von aufzubringenden Beschichtungen, welches ein spanendes

Schneidwerkzeug und ein Umformwerkzeug umfasst. Es ist weiterhin in der Druckschrift DE 10 2006 004 769 A1 ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten offenbart. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt in einer Material abtragenden Behandlung Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht, sodass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen bildet. In einem zweiten Verfahrensschritt werden diese Mikrostrukturen verformend und/oder brechend nachbearbeitet, sodass ein wesentlicher Anteil der Mikrostrukturen Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche ausbildet.

Die Druckschriften EP 1 759 134 B1 , EP 1 820 874 A2 und WO 2006/040746 A2 zeigen weitere Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Möglichkeiten zum Aufrauen der Oberfläche eines Werkstücks beziehungsweise die Herstellung einer Oberflächenstruktur mit verbesserter Haftung von aufzubringenden Beschichtungen derart zu verbessern, dass die plastische Verformung der Stegstruktur zur Bildung der Hinterschnitte mit wenig Kraftaufwand erfolgen kann und weiterhin eine gleichmäßige Ausbildung der Hinterschnitte möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Kombinationswerkzeug umfassend ein Schneidwerkzeug mit zumindest einem Strukturierungszahn und ein Umformwerkzeug vorgesehen, bei dem das Umformwerkzeug um die Vortriebsrichtung und die Arbeitsrichtung des Kombinationswerkzeugs vorzugsweise sphärisch zur Oberfläche hin gekrümmt ist. Das Umformwerkzeug ist dazu beispielsweise als ein Kugelabschnitt oder als eine Kugel ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, eine hohe Flächenpressung bei kleiner Werkzeugkraft zu erzeugen. Die Werkzeugkraft ist jene Kraft, die für die Bewegung des Kombinationswerkzeugs aufgewendet werden muss. Das Kombinationswerkzeug wird in einer Arbeitsrichtung entlang der zu bearbeitenden Oberfläche bewegt. Darüber hinaus wird das Kombinationswerkzeug in einer von der Arbeitsrichtung abweichenden Vortriebsrichtung bewegt. Die kugelartige Form des Umformwerkzeugs ermöglicht es, auch bei einer Überlagerung der Arbeitsbewegung mit der Vortriebsbewegung eine hohe Flächenpressung bei kleiner Werkzeugkraft zu erzeugen.

Als vorteilhafte Ausbildung hat es sich erwiesen, dass das Umformwerkzeug aus einem

Diamanten, insbesondere einem monokristallinen Diamanten, besteht. Durch die Verwendung eines Diamanten als Werkstoff ist es möglich, die hohen Kräfte, insbesondere bei einem Umformwerkzeug mit kleinem Durchmesser, beispielsweise weniger als 1 Millimeter, auf das Kombinationswerkzeug zu übertragen. Zugleich wird durch die Materialwahl der Verschleiß des Umformwerkzeugs reduziert.

Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass das als Kugel ausgeführte Umformwerkzeug in beziehungsweise an dem Kombinationswerkzeug drehbar gelagert ist. Dies erleichtert weiter die Arbeit des Kombinationswerkzeugs, da dessen Kraftaufwand reduziert wird. Die drehbare Lagerung ist beispielsweise derart ausgestaltet, dass das Umformwerkzeug in dem

Kombinationswerkzeug zumindest um eine parallel zur Vortriebsrichtung des

Kombinationswerkzeugs orientierte Achse und/oder um eine parallel zur Arbeitsrichtung des Kombinationswerkzeugs orientierte Achse drehbeweglich gelagert ist. Diese Beweglichkeit kann auch als eine Rotationsmöglichkeit um eine parallel zur Arbeitsrichtung orientierte Achse und zugleich um eine parallel zur Vortriebsrichtung orientierte Achse beschrieben werden.

Das Umformwerkzeug weist ein im Wesentlichen nicht spanend mit der Oberfläche eines Werkstücks in Eingriff bringbares Umformungselement auf, welches, bezogen auf die

Arbeitsrichtung, Oberflächenmaterial mindestens teilweise seitlich von einem am weitesten in Richtung des Werkstücks hervorstehenden Abschnitt des Umformwerkzeugs wegdrückt. Die Oberfläche des Werkstücks wird durch das Umformwerkzeug plastisch verformt. Vorteilhaft ist, dass das Umformwerkzeug mit seinem Mittelpunkt innerhalb des Kombinationswerkzeugs angeordnet ist. So werden die Kräfte des Kombinationswerkzeugs sicher auf das

Umformwerkzeug übertragen. Das Umformwerkzeug, insbesondere dessen Mittelpunkt, weist zu einer Vorderkante des Schneidwerkzeugs einen Abstand auf. Vorzugsweise ist die

Vorderkante, beziehungsweise die Schneidkante, beziehungsweise der Strukturierungszahn des Schneidwerkzeugs in Vortriebsrichtung des Kombinationswerkzeugs weiter vorne angeordnet als der Mittelpunkt des Umformwerkzeugs. Durch den relativen Versatz des Schneidwerkzeugs und des Umformwerkzeugs zueinander werden sie zeitlich nacheinander mit benachbarten Bereichen der Werkstückoberfläche in Eingriff gebracht. Dabei eilt das spanende Schneidwerkzeug dem nicht spanenden Umformwerkzeug voraus. In diesem Zusammenhang hat sich als weiterhin vorteilhaft erwiesen, dass in Vortriebsrichtung des

Kombinationswerkzeugs die Vorderkante, beziehungsweise die Schneidkante,

beziehungsweise der Strukturierungszahn des Schneidwerkzeugs vor und der Mittelpunkt des Umformwerkzeugs hinter dem Anfang der Führungsleisten angeordnet sind. Dabei ist bevorzugt die Strecke der Vorderkante des Schneidwerkzeugs zu dem Anfang der Führungsleisten kleiner als der Weg des Mittelpunkts des Umformwerkzeugs zu dem Anfang der Führungsleisten. Idealerweise ist der Weg ein Vielfaches der Strecke und/oder der Teilung. Günstig ist es, dass das Schneidwerkzeug mehrere Strukturierungszähne aufweist. Die

Strukturierungszähne sind gegenüber einer Schneidkante in Richtung zur Oberfläche des Werkstücks hin vorstehend ausgebildet. Vorteilhaft ist es, dass die Teilung der

Strukturierungszähne jeweils gleich ist. Die Teilung beträgt vorzugsweise 100 bis 500, ideal 200 bis 300 Mikrometer. Die Strukturierungszähne haben gemäß einer favorisierten

Ausführungsform ein im Wesentlichen rechteckiges Profil. Für einen erleichterten Materialabtrag haben sich trapezförmige Strukturierungszähne als günstig erwiesen. In einer besonderen Ausgestaltung umfasst das Kombinationswerkzeug außerdem ein spanendes

Vorbearbeitungswerkzeug, welches dem Schneidwerkzeug in Bezug auf die Bearbeitung vorauseilt, wobei das Schneidwerkzeug wiederum in Bezug auf die Bearbeitung dem

Umformwerkzeug vorauseilt. Die Strukturierungszähne ermöglichen es, eine gleichmäßige Mikrostruktur herzustellen. Dabei sind die Teilung der Strukturierungszähne, also deren

Abstand zueinander, auf die Vorschubgeschwindigkeit abgestimmt.

Bei dem Kombinationswerkzeug ist vorgesehen, dass zumindest ein Strukturierungszahn um den Betrag einer Strukturtiefe und der Eingriffspunkt des Umformwerkzeugs um den Betrag der Umformtiefe in Richtung zum Werkstück hin über die Schneidkante hervorstehen. Für eine geringe Belastung der Strukturierungszähne hat es sich dabei als günstig erwiesen, dass diese unterschiedlich weit radial über die Schneidkante hinaus vorstehen. Der Vorschub des

Kömbinationswerkzeugs ist dabei derart eingestellt, dass jeder der Strukturierungszähne einmal dieselbe Stelle der Oberfläche des Werkstücks bearbeitet. Der Strukturierungszahn, welcher am weitesten radial über die Schneidkante hinaus vorsteht, definiert die Strukturtiefe der in dem Werkstück erzeugten Vertiefung. Die Umformtiefe des Umformwerkzeugs ist kleiner oder gleich der Strukturtiefe. Die Strukturtiefe beträgt vorzugsweise 10 bis 200 Mikrometer, ideal 50 bis 80 Mikrometer.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schneidwerkzeug als eine insbesondere austauschbare Wendeschneideplatte ausgebildet. Durch Austausch des Schneidwerkzeugs kann das Kombinationswerkzeug an jede beliebige Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kömbinationswerkzeugs ist die

Umformtiefe einstellbar. Hierdurch ist die Möglichkeit eröffnet, den Grad der Umformung festzulegen. Dabei kann das Material des Werkstücks ebenso berücksichtigt werden wie das gewünschte Maß der Hinterschneidung. Das Kombinationswerkzeug ist insbesondere für eine rotierende Bearbeitung vorgesehen. Es umfasst dazu einen Werkzeugkörper und einen Werkzeugschaft. Der Querschnitt des

Werkzeugschafts ist kleiner oder gleich dem Querschnitt des Werkzeugkörpers. Der

Werkzeugschaft dient zur Verbindung mit dem Werkzeugantrieb. Das Schneidwerkzeug und das Umformwerkzeug sind an dem Werkzeugkörper angeordnet. Für die rotierende Bearbeitung hat der Werkzeugkörper eine Drehachse. Das an dem Werkzeugkörper fixierte

Schneidwerkzeug und das an dem Werkzeugkörper fixierte Umformwerkzeug sind auf einen Umfangsabschnitt des Werkzeugkörpers beschränkt. Dieser Umfangsabschnitt erstreckt sich in Bezug auf die Drehachse zusammenhängend über weniger als die Hälfte des Umfangs, also über weniger als 180 Grad. Der radiale Vorsprung der Schneidkante des Schneidwerkzeugs gegenüber den Führungsleisten beträgt üblicherweise ungefähr 10 Mikrometer, jedoch nicht mehr als 100 Mikrometer und nicht weniger als 1 Mikrometer. Der radiale Vorsprung des Umformwerkzeugs gegenüber den Führungsleisten entspricht dem radialen Vorsprung der Schneidkante des Schneidwerkzeugs oder ist größer als dieser.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Kombinationswerkzeugs ist es, dass an dem

Werkzeugkörper zumindest zwei Umformwerkzeuge und/oder zwei Schneidwerkzeuge angeordnet sind. Hierdurch ist eine höhere Umformleistung möglich. Dabei bearbeitet jedes Schneidwerkzeug einen separaten Abschnitt der Oberfläche des Werkstücks. Jedem

Schneidwerkzeug ist dann zumindest ein Umformwerkzeug und zumindest eine Führungsleiste zugeordnet.

Dazu hat das Schneidwerkzeug wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier

Strukturierungszähne.

Als besonders praktikabel hat es sich gezeigt, dass das Umformwerkzeug eine Kugel mit einem Durchmesser größer 1 Millimeter, vorzugsweise 3 bis 8 Millimeter, aufweist. Mit einem

Durchmesser, der dem 10-fachen bis 100-fachen der Teilung entspricht, kann das

Umformwerkzeug gleichmäßig und nahezu parallel auf mehrere Stegoberflächen

beziehungsweise die Oberfläche des Werkstücks einwirken. Der Durchmesser des

Umformwerkzeugs ist vorzugsweise jedoch kleiner als der halbe Querschnitt des

Werkzeugkörpers.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des

Patentanspruchs 9. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere eines Zylinderblocks, vorgesehen, bei dem eine Kugel oder ein Kugelabschnitt als Umformwerkzeug zur plastischen Verformung zumindest eines in der Oberfläche ausgebildeten Stegs entlang diesem bewegt wird. Durch die plastische Verformung des Stegs werden in den den Steg begrenzenden, nutartigen Vertiefungen Hinterschnitte erzeugt, welche die Haftung von aufzubringenden Beschichtungen verbessern. Durch die Umformung mittels eines kugelförmigen oder eines einem Kugelabschnitt ähnlichen

Umformwerkzeugs kann die plastische Verformung der Stegstruktur zur Bildung der

Hinterschnitte mit wenig Kraftaufwand erfolgen. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige

Ausbildung der Hinterschnitte möglich. Die plastischen Verformungen sind vorzugsweise Verformungen quer zur Vertiefungsrichtung beziehungsweise quer zur Stegrichtung.

Das Umformwerkzeug kann zur Erzeugung eines Hinterschnitts entlang einer Stegkante und/oder einer Stegseitenfläche bewegt werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Durchmesser des Umformwerkzeugs kleiner ist als das Maß der Teilung. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Umformwerkzeugs kleiner, gleich oder nur geringfügig größer als die Breite der Ausnehmung. Dabei hat es sich als besonders effizient erwiesen, dass das

Umformwerkzeug zeitgleich an zwei Stegkanten anliegend entlang der Stege bewegt wird. Hierdurch werden zugleich zwei Stege umgeforrrit und an jedem Steg ein Hinterschnitt ausgebildet.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist es, dass das Umformwerkzeug entlang zumindest einer Stegoberfläche bewegt wird. Hierdurch werden an den Stegen, die mit dem Umformwerkzeug in Eingriff gelangen, zwei Hinterschnitte ausgebildet, was die Haftung von aufzubringenden Beschichtungen verbessert.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Kombinationswerkzeugs;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Stirnansicht des in Figur 1 gezeigten

Kombinationswerkzeugs;

Fig. 3 in einem vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 ein Schneidwerkzeug des

Kombinationswerkzeugs; Fig. 4 in einem vergrößerten Ausschnitt der Figur 2 ein Umformwerkzeug des Kombinationswerkzeugs;

Fig. 5 in einem vergrößerten Ausschnitt der Figur 2 ein Umformwerkzeug einer ersten

Ausführungsform des Kombinationswerkzeugs;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer strukturierten Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des

Kombinationswerkzeugs 1 und einer ersten Variante eines Verfahrensschritts zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des

Kombinationswerkzeugs 1 und einer zweiten Variante eines Verfahrensschritts zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des

Kombinationswerkzeugs 1 und einer dritten Variante eines Verfahrensschritts zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des

Kombinationswerkzeugs 1 und einer vierten Variante eines Verfahrensschritts zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen ein Kombinationswerkzeug 1 zum Aufrauen der in den Figuren 5 bis 9 dargestellten Oberfläche 2 eines Werkstücks 3. Das Werkstück 3 ist insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors. Zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten 4 umfasst das Kombinationswerkzeug 1 ein spanendes Schneidwerkzeug 5. Weiterhin weist das Kombinationswerkzeug 1 ein im Wesentlichen nicht spanend mit der Oberfläche eines Werkstücks in Eingriff bringbares Umformwerkzeug 6 auf, welches, bezogen auf eine Arbeitsrichtung 13 des Kombinationswerkzeugs 1, Material der Oberfläche 2 des Werkstücks 3 mindestens teilweise seitlich von einem am weitesten in Richtung des Werkstücks 3 hervorstehenden Abschnitt des Umformwerkzeugs 6 wegdrückt. Das dargestellte

Kombinationswerkzeug 1 ist für eine rotierende Bearbeitung der Oberfläche 2 vorgesehen. Es hat einen Werkzeugkörper 7 und einen Werkzeugschaft 8. In der gezeigten Ausführungsform sind an dem Werkzeugkörper 7 zwei Führungsleisten 9, das Schneidwerkzeug 5 und ein Umformwerkzeug 6 angeordnet. Das Schneidwerkzeug 5 und das Umformwerkzeug 6 sind radial über die Führungsleisten 9 hinaus vorstehend angeordnet. Das Schneidwerkzeug 5 greift mit seiner Schneidkante 33 in die unbearbeitete Oberfläche 2 des Werkstücks 3 ein. Der Abstand zwischen der unbearbeiteten Oberfläche 2 des Werkstücks 3 und der Schneidkante 33 ist die Schneidtiefe 15. Das Schneidwerkzeug 5 hat drei Strukturierungszähne 18. Die

Strukturierungszähne 18 sind alle radial über die Schneidkante 33 hinaus vorstehend angeordnet. Dabei stehen die drei Strukturierungszähne 18 unterschiedlich weit radial über die Schneidkante 33 hinaus vor. Der Vorschub des Kombinationswerkzeugs 1 ist derart eingestellt, dass jeder der Strukturierungszähne 18 einmal dieselbe Stelle der Oberfläche des Werkstücks 3 bearbeitet. Der Strukturierungszahn 18, welcher am weitesten radial über die Schneidkante 33 hinaus vorsteht, definiert die Strukturtiefe 19 der in dem Werkstück 3 erzeugten Vertiefung. Die Umformtiefe 16 des Umformwerkzeugs 6 ist kleiner als die Strukturtiefe 19, welche vorzugsweise 50 bis 80 Mikrometer beträgt. Das Schneidwerkzeug 5 und das Umformwerkzeug 6 sind relativ zueinander so angeordnet, dass sie zeitlich nacheinander mit unmittelbar benachbarten Bereichen der Oberfläche 2 des Werkstücks 3 in Eingriff bringbar sind. Dabei eilt das Schneidwerkzeug 5 dem Umformwerkzeug 6 voraus. Das Schneidwerkzeug 5 und das Umformwerkzeug 6 sind auf einen Umfangsabschnitt des Werkzeugkörpers 7 beschränkt, der sich in Bezug auf eine Drehachse des Kombinationswerkzeugs 1 zusammenhängend über weniger als die Hälfte des Umfangs erstreckt.

Das Kombinationswerkzeug 1 wird in einer Arbeitsrichtung 13 entlang der zu bearbeitenden Oberfläche 2 bewegt. Darüber hinaus wird das Kombinationswerkzeug 1 in einer von der Arbeitsrichtung abweichenden Vortriebsrichtung 1 bewegt. Das Umformwerkzeug 6 ist eine Kugel beziehungsweise ein Kugelabschnitt, dessen geometrischer Mittelpunkt 10 innerhalb des Werkzeugkörpers 7 angeordnet ist. Das Umformwerkzeug 6 ist bei der hier gezeigten

Ausführungsform in beziehungsweise an dem Kombinationswerkzeug 1 zumindest um eine parallel zur Vortriebsrichtung 1 1 des Kombinationswerkzeugs 1 orientierte Achse 12 und um eine parallel zur Arbeitsrichtung 13 des Kombinationswerkzeugs 1 orientierte Achse 14 drehbeweglich gelagert. Andere Ausführungsformen, beispielsweise mit feststehendem

Umformwerkzeug 6, sind ebenso möglich.

Das Schneidwerkzeug 5 ist als eine austauschbare Wendeschneideplatte ausgebildet. Zur Befestigung des Schneidwerkzeugs 5 an dem Werkzeugkörper 7 und zur Aufnahme des vom Werkstück 3 abgetragenen Materials hat das Kombinationswerkzeug 1 einen Spanraum 17. Das Schneidwerkzeug 5 hat drei Strukturierungszähne 18 mit unterschiedlichen Strukturtiefen 19 zur Ausbildung einer nutartigen Vertiefung 20 in der Oberfläche 2. Die Strukturtiefe 19 der einzelnen Strukturierungszähne 18 ist von der Stirnseite 21 des Kombinationswerkzeugs 1 zum Werkzeugschaft 8 hin ansteigend. Die unterschiedlichen Strukturtiefen 19 sind mittels gestrichelter Linien angedeutet. Die Teilung 25 der Strukturierungszähne 18, also deren Rastermaß in Vortriebsrichtung 11, ist jeweils identisch. Pfeil 22 deutet den

Vormaßdurchmesser einer Bohrung in dem Werkstück 3 an. Diese Bohrung wird mit der Schneidkante 33 bearbeitet. Dies führt zu einem Materialabtrag durch die Schneidkante 33 gemäß der in Figur 3 gezeigten Schneidtiefe 15. Die Schneidkante 33 des Schneidwerkzeugs 5 ist über die Führungsleisten 9 hinaus vorstehend ausgebildet. An der durch die Schneidkante

33 bearbeiteten Bohrung gleiten die Führungsleisten 9 entlang. Das Umformwerkzeug 6, insbesondere dessen Mittelpunkt 10, weist zu einer Vorderkante 23 des Schneidwerkzeugs 5 einen Abstand 24 auf. Dabei ist die Vorderkante 23 in Vortriebsrichtung 11 des

Kombinationswerkzeugs 1 weiter vorne angeordnet als das Umformwerkzeug 6

beziehungsweise dessen Mittelpunkt 10.

Die Vorderkante 23 des Schneidwerkzeugs 5 ist in Vortriebsrichtung 11 des

Kombinationswerkzeugs 1 vor einem Anfang 26 der Führungsleisten 9 angeordnet. Der Mittelpunkt 10 des Umformwerkzeugs 6 ist hinter dem Anfang 26 der Führungsleisten 9 angeordnet. Dabei ist die Strecke 27 der Vorderkante 23 des Schneidwerkzeugs 5 zu dem Anfang 26 der Führungsleisten 9 kleiner als der Weg 28 zwischen dem Mittelpunkt 0 des Umformwerkzeugs 6 und dem Anfang 26 der Führungsleisten 9. Der Weg 28 ist ein Vielfaches der Strecke 27 und/oder der Teilung 25.

In Figur 3 sind die Schneidtiefe 15 des Schneidwerkzeugs 5, die Strukturtiefe 19 der

Strukturierungszähne 18, der radiale Abstand 35 einer Führungsleiste 9 und der Eingriffspunkt

34 des Umformwerkzeugs 6 zueinander dargestellt. Das Umformwerkzeug 6 und die

Führungsleiste 9 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Das Schneidwerkzeug 5 hat einen Freiwinkel 37.

Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsform des in den Figuren 1 und 2 gezeigten

Kombinationswerkzeugs 1. Dargestellt ist der Eingriff des Umformwerkzeugs 6 in das

Werkstück 3. Das Umformwerkzeug 6 hat einen Durchmesser, der ein Vielfaches größer ist als das Maß der Teilung 25. Weiterhin dargestellt sind die Strukturtiefe 19 und der Eingriffspunkt 34.

Figur 6 zeigt eine strukturierte Oberfläche 2 des Werkstücks 3, insbesondere eines

Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors. Zum Aufrauen der Oberfläche 2, insbesondere zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten 4, wird die Oberfläche 2 mittels des in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Kombinationswerkzeugs 1 bearbeitet. Dies geschieht in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten. In dem ersten Verfahrensschritt werden in die Oberfläche 2 gleichförmige, nutartige Vertiefungen 20 eingebracht. Dazu hat das

Kombinationswerkzeug 1 Strukturierungszähne 18. Es sind zwei Strukturierungszähne 18 unterschiedlicher Geometrie mit einer rechteckigen und einer trapezförmigen Form beispielhaft dargestellt. In dem zweiten Verfahrensschritt werden die zwischen den Vertiefungen 20 angeordneten beziehungsweise verbliebenen Stege 29 derart plastisch verformt, dass sich in den Vertiefungen 20 Hinterschnitte 4 ausbilden. Zur plastischen Verformung der Stege 29 in dem zweiten Verfahrensschritt wird eine Kugel als Umformwerkzeug 6 entlang zumindest eines Stegs 29 bewegt. Die plastischen Verformungen sind vorzugsweise Querverformungen, also Verformungen quer zur Orientierung der Vertiefungen 20 beziehungsweise der Stege 29.

In den Figuren 7 bis 10 sind eine zweite Ausführungsform des Kombinationswerkzeugs 1 und unterschiedliche Varianten des zweiten Verfahrensschritts dargestellt. Die Figuren zeigen eine schematische Darstellung eines kugelförmigen Umformwerkzeugs 6, dessen Durchmesser kleiner ist als das Maß der Teilung 25, und die Oberfläche 2 des Werkstücks 3 mit Vertiefungen 20, Stegen 29 und Hinterschnitten 4. Jeder Steg 29 hat eine Stegoberfläche 30, eine Stegkante 31 und zumindest eine, in der Regel zwei Stegseitenflächen 32.

Figur 7 zeigt eine plastische Verformung mittels zweier Umformwerkzeuge 6, welche auf die Stegoberflächen 30 unmittelbar benachbarter Stege 29 einwirken. Dabei werden beidseitig beider Stege 29 Hinterschnitte 4 gebildet. Die Hinterschnitte 4 greifen in die an die Stege 29 angrenzenden Vertiefungen 20 ein, wobei nach der Bearbeitung des Werkstücks 3 jede Vertiefung 20 zwei Hinterschnitte 4 hat.

Figur 8 zeigt eine plastische Verformung mittels zweier Umformwerkzeuge 6, welche auf die Stegoberflächen 30 jedes zweiten Stegs 29 einwirken. Dabei werden beidseitig der Stege 29 Hinterschnitte 4 gebildet. Die Hinterschnitte 4 greifen in die an die Stege 29 angrenzenden Vertiefungen 20 ein, wobei nach der Bearbeitung des Werkstücks 3 jede Vertiefung 20 einen Hinterschnitt 4 hat.

Figur 9 zeigt eine plastische Verformung mittels zweier Umformwerkzeuge 6, von denen jedes auf die einander zugewandten Stegkanten 31 zweier unmittelbar benachbarter Stege 29 einwirkt. Die Umformwerkzeuge 6 werden dazu entlang jeder zweiten Vertiefung 20 bewegt. Durch die gleichzeitige Verformung zweier Stege 29 werden in unterschiedlichen Vertiefungen 20 Hinterschnitte 4 gebildet. Nach der Bearbeitung des Werkstücks 3 greifen lediglich in jede zweite Vertiefung 20 zwei Hinterschnitte 4 ein, die unmittelbar benachbarten Vertiefungen 20 bleiben frei von Hinterschnitten 4. Figur 10 zeigt eine plastische Verformung mittels eines Umformwerkzeugs 6. Das

Umförmwerkzeug 6 wirkt auf eine Stegkante 31 und zugleich auf eine Stegseitenfläche 32 eines Stegs 29 ein. Dabei wird an der gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Stegs 29 ein Hinte/schnitt 4 gebildet. Nach der Bearbeitung des Werkstücks^" 3 hat jede Vertiefung 20 einen Hinterschnitt 4.

Bezugszeichenliste Kombinätionswerkzeug 21 Stirnseite Oberfläche 22 Pfeil

Werkstück 23 Vorderkante Hinterschnitt 24 Abstand Schneidwerkzeug 25 Teilung

Umformwerkzeug 26 Anfang

Werkzeugkörper 27 Strecke Werkzeugschaft 28 Weg

Führungsleisten 29 Steg

Mittelpunkt 30 Stegoberfläche Vortriebsrichtung 31 Stegkante Achse 32 Stegseitenfläche Arbeitsrichtung 33 Schneidkante Achse 34 Eingriffspunkt Schneidtiefe 35 Abstand Umformtiefe 36 Pfeil

Span räum 37 Freiwinkel Strukturierungszähn

Strukturtiefe

Vertiefung

Claims

Patentansprüche

1. Kombinationswerkzeug (1) für die Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten (4) in einer Oberfläche (2) eines Werkstücks (3), welches insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, wobei das Kombinationswerkzeug (1) zumindest eine Führungsleiste (9), ein Schneidwerkzeug (5) mit einer dem Werkstück (3) zugeordneten Schneidkante (33) und ein Umformwerkzeug (6) mit einem dem Werkstück (3)

zugewandten Eingriffspunkt (34) umfasst, das Schneidwerkzeug (5) mindestens einen Strukturierungszahn (18) zur Ausbildung einer nutartigen Vertiefung (20) in der Oberfläche (2) aufweist und das Schneidwerkzeug (5) sowie das Umformwerkzeug (6) in Richtung zum Werkstück (3) hin über die Führungsleiste (9) hinaus vorstehend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (6) um die Vortriebsrichtung (11) und um die Arbeitsrichtung (13) des Kombinationswerkzeugs (1) zur Oberfläche (2) hin gekrümmt ist.

2. Kombinationswerkzeug (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das

Umformwerkzeug (6) ein Kugelabschnitt oder eine Kugel ist.

3. Kombinationswerkzeug (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Vortriebsrichtung (11) des Kombinationswerkzeugs (1) die Vorderkante (23) des Schneidwerkzeugs (5) vor und der Mittelpunkt (10) des Umformwerkzeugs (6) hinter dem Anfang (26) der Führungsleisten (9) angeordnet ist.

4. Kombinationswerkzeug (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (5) mehrere Strukturierungszähne (18) aufweist, wobei die Teilung (25) der Strukturierungszähne (18) jeweils gleich ist.

5. Kombinationswerkzeug (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturierungszahn (18) um den Betrag einer Strukturtiefe (19) und der Eingriffspunkt (34) des Umformwerkzeugs (6) um den Betrag der Umformtiefe (16) in Richtung zum Werkstück (3) hin über die Schneidkante (33) hervorstehen.

6. Kombinationswerkzeug (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtiefe (16) kleiner ist als die Strukturtiefe (19).

7. Kombinationswerkzeug (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtiefe (16) einstellbar ist.

8. Kombinationswerkzeug (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für eine rotierende Bearbeitung vorgesehen ist.

9. Kombinationswerkzeug (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (6) in dem Kombinationswerkzeug (1) zumindest um eine parallel zur Vortriebsrichtung (11) des Kombinationswerkzeugs (1) orientierte Achse (1 ) und um eine parallel zur Arbeitsrichtung (13) des

Kombinationswerkzeugs (1) orientierte Achse (14) drehbeweglich gelagert ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur mit Hinterschnitten (4) in einer

Oberfläche (2) eines Werkstücks (3), welches insbesondere ein Zylinderblock eines Verbrennungsmotors ist, bei dem in einem ersten Verfahrensschritl gleichförmige, nutartige Vertiefungen (20) in die Oberfläche (2) eingebracht werden und zeitversetzt dazu in einem zweiten Verfahrensschritt die zwischen den Vertiefungen (20) angeordneten Stege (29) derart plastisch verformt werden, dass sich in den Vertiefungen (20) Hinterschnitte (4) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt eine Kugel oder ein Kugelabschnitt als Umformwerkzeug (6) zur plastischen Verformung zumindest eines Stegs (29) entlang diesem bewegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (6) entlang einer Stegoberfläche (30), einer Stegkante (31) und/oder einer Stegseitenfläche (32) bewegt wird.