WO2017029004A1 - Verfahren und anlage zum bearbeiten und aufrauen einer oberfläche sowie werkstück mit einer bearbeiteten oberfläche - Google Patents

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WO2017029004A1
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bar
workpiece
machining
profile elements
roughening
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PCT/EP2016/064563
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Inventor
Roland Baier
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Sturm Maschinen- & Anlagenbau Gmbh
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/06—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for producing matt surfaces, e.g. on plastic materials, on glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
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    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • B24C3/325—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks for internal surfaces, e.g. of tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Definitions

  • the invention relates to a method for processing and roughening a surface of a workpiece for a subsequent surface coating, in which macroscopic profile elements are incorporated into the surface and a microscopic roughening by means of beam processing are formed, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a workpiece, in particular an engine block, having a surface, in particular a cylinder running surface, which is machined for a subsequent coating, wherein the surface is provided with macroscopic profile elements and roughened by means of jet machining, according to the preamble of claim 10.
  • the invention further relates to a system for processing and roughening a surface of a workpiece for a subsequent surface coating, comprising at least one nozzle device for applying a machining fluid to the surface at a processing pressure for roughening the surface and a tool device for forming defined profile elements in the surface a material-removing machining, according to the preamble of claim 12.
  • a metallic coating to protect them from mechanical or chemical wear.
  • cylinder crankcases also called engine block
  • reinforced the cylinder surfaces in the cylinder bores with a Provided with metal coating.
  • the metal coating can be applied for example by thermal spraying with a relatively thin layer thickness of a few 100 ⁇ up to a few millimeters.
  • the surface can be roughened microscopically with a fluid jet.
  • a fluid jet is directed at an operating pressure of up to several 1000 bar on the surface to be coated.
  • a metallic coating adheres very well.
  • roughening by means of a high pressure jet is energy, time and cost consuming.
  • Another method for working the surface is to incorporate macroscopic profile elements material erosive into the surface.
  • fine groove structures can be produced as when cutting a thread.
  • the problem is that the subsequent metal coating must be applied with a correspondingly greater layer thickness in order to achieve a smooth surface.
  • a larger layer has disadvantages in terms of increased material, energy, time and cost.
  • strength disadvantages can arise with excessively large layer thicknesses.
  • DE 10 2013 014 844 A1 teaches a method for machining a cylinder wall of an internal combustion engine.
  • recesses are introduced into the wall by means of mechanical processing and then irradiated under high pressure, whereby micro-recesses are introduced.
  • the microwells may optionally be provided over the entire surface to be coated, exclusively in depressions or the webs between the depressions.
  • DE 10 2013 21 1 324 A1 teaches a method and installation for preparing and coating a workpiece surface, in which the surface is provided with a tool having a macroscopic structure, which is subsequently provided with a microstructure by means of a fluid.
  • a tool having a macroscopic structure which is subsequently provided with a microstructure by means of a fluid.
  • both the microstructure and the macroscopic structure over the entire surface of the workpiece are provided.
  • the invention is based on the invention of specifying a method and a device for processing and roughening a surface of a workpiece, with which the surface can be processed particularly efficiently for a subsequent coating. Another object is to specify a workpiece for this purpose.
  • the method according to the invention is characterized in that at least one first surface area is provided on the workpiece, in which only profile elements are incorporated, and that at least a second surface area is provided, in which only a macroscopic roughening by means of beam processing is formed.
  • a basic idea of the invention lies in roughening the surface to be coated microscopically in regions and providing it with a macroscopic structure in some areas. The different areas to be processed are kept separate from each other. In this way, an unnecessary double processing of the surface areas of the surface to be coated is avoided.
  • In the first surface area a plurality of profile elements are formed.
  • An advantage of the invention is in particular that it is sufficient for certain surface areas of the surface to be coated, if they are provided in a cost-effective manner with macroscopic profile elements, while only certain other areas of the surface to be coated are roughened with the more complex microscopic beam processing.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is that a plurality of juxtaposed first and second surface areas are provided.
  • the respective surface regions are formed in a ring next to one another and adjacent to one another.
  • two or more first and second surface areas can be provided.
  • the second surface area is particularly advantageous for the second surface area to be provided in an edge section of the surface of the workpiece to be coated, in which only a roughening is formed by means of beam machining.
  • macroscopic profile elements in an edge section of the surface to be coated, in particular in cylinder bores are particularly susceptible to damage due to a partial exposure.
  • the edge portion preferably has a width of 3 mm to 1 cm.
  • For a cylinder derbohrung are preferably both opposite annular edge regions free of profile elements and roughened only microscopically.
  • the macroscopic profile elements to be mounted preferably have a height of between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the distance of the profile elements directly to each other may have a corresponding magnitude.
  • the profile elements can be formed in particular by grooves, wherein webs remain as the actual profile elements between the grooves. In cross section, these may have a polygonal, semicircular or arcuate contour. It is also possible to produce profile elements with an undercut contour, for example a dovetail profile.
  • the grooves are preferably produced by machining, for example by means of a turning tool or a milling tool. It is also possible to work by laser or a spark erosion process.
  • the profile elements are preferably formed and arranged in a regular structure.
  • a machining jet which is preferably water-based and preferably admixed with additives, for example abrasive particles, as well as cleaning or corrosion protection agents.
  • additives for example abrasive particles, as well as cleaning or corrosion protection agents.
  • individual particles are released from the surface to be coated, so that an irregular microscopic roughening takes place.
  • This irregular roughening can lie on average in the range between a few ⁇ to 100 ⁇ .
  • the edge portion is provided with a chamfer.
  • the taper may be formed as a beveled flat surface.
  • the bevel results in a correspondingly conical, annular edge region.
  • the bevel angle is preferably between 5 ° and 45 °, preferably between 10 ° and 30 °.
  • the surface to be coated is roughened exclusively by means of jet machining.
  • the two opposite edge portions may be provided with a chamfer.
  • a further preferred embodiment of the invention consists in that the profile elements are produced in a material-removing manner by means of a tool device.
  • the tool device is in particular a turning tool or a milling tool.
  • defined profile elements can be incorporated in a predetermined structure in the surface chip removal.
  • a laser or a spark erosion tool can be provided.
  • the beam processing of the surface to be coated is carried out at a relatively high processing pressure, which depends significantly on the material of the workpiece.
  • the jet machining is carried out with a machining fluid which is directed onto the surface at a working pressure of 500 bar to 4000 bar, in particular 800 bar to 2500 bar.
  • the machining fluid can be applied by means of one or more nozzles.
  • the nozzles are supplied via a high-pressure pump from a corresponding container via supply lines with the machining fluid.
  • the workpiece has at least a first surface area and at least one second surface area, which are processed differently. According to the invention, however, it is not excluded that other surface areas exist, which are processed differently.
  • the surface is provided with a coating.
  • the coating is preferably a metal coating, which is preferably produced by a thermal spraying or coating process, such as an LDS coating process or a plasma coating process.
  • the coating is generally formed by a metallic alloy.
  • the coating may also comprise a ceramic coating or a plastic coating.
  • the workpiece according to the invention is characterized in that at least one first surface area is provided, in which only the profile elements are formed, and that at least one second surface area is provided. see, in which only a microscopic roughening is provided by means of beam processing.
  • the workpiece may in principle be any workpiece having a surface to be provided with a coating.
  • the workpiece is an engine block or a cylinder crankcase, which have at least one cylinder bore with a cylinder surface to be coated.
  • the second surface area is formed in an edge portion of the surface to be coated.
  • the second surface area which is provided exclusively with a microscopic roughening, ensures a particularly good connection of the coating to be applied with the surface of the workpiece. In the edge region, this is particularly advantageous, since in this area the surface coating is often particularly heavily stressed.
  • a further advantageous embodiment according to the invention is that the surface to be coated is provided in a peripheral portion with a chamfer. Due to this geometric surface change, increased stress can be accommodated. It can thereby be caused by a thickening of the coating with a uniform surface course of the coating.
  • the inventive system for processing and roughening a surface of a workpiece is characterized according to the invention in that a control device is provided, with which the tool device for creating the profile elements is controlled only in a first surface area as part of the surface to be coated, and that the Nozzle means is formed and controlled by the control means to machine and roughen the surface of the workpiece in a second surface area which is separate from the first surface area.
  • At least one cleaning device is provided, with which a cleaning fluid can be acted on the surface at a cleaning pressure which is lower than the processing pressure.
  • the cleaning device has a nozzle device with which, in particular, the at least one first surface region can be sprayed and cleaned with the macroscopic profile elements.
  • chips or residues of a rinsing or cooling emulsion used by the machining can be reliably removed from the surface to be coated with this cleaning device.
  • the cleaning device can use a separate second nozzle device or the same nozzle elements of the first nozzle device, which are provided for beam processing.
  • the cleaning device in this case has a container for the cleaning fluid, which can be passed via a pump to the at least one nozzle element of the cleaning device via a cleaning fluid line.
  • the processing pressure is set to 500 bar to 4000 bar, preferably 800 bar to 2500 bar, and that the cleaning pressure is set to 5 bar to 500 bar.
  • the cleaning pressure of the cleaning device is thus - depending on the material of the workpiece - significantly lower than the processing pressure, so that during cleaning damage to the fine profile elements in the first surface area is practically avoided.
  • the cleaning fluid is the same as or different from the machining fluid.
  • the cleaning fluid is free of abrasive or Abtragspumblen and may have about fat-dissolving surfactants and other beneficial for cleaning additives.
  • Fig. 1 shows a part of a workpiece 10 with a cylinder bore 12 shown in half section with a bore axis 13.
  • the cylinder bore 12 has a surface to be coated 14, which serves as a cylinder running surface in an engine block after coating.
  • the surface 14 to be coated is substantially cylindrical, with chamfers 18 directed outwards being formed in the two lateral edge sections 16.
  • the chamfers 18 have a helix angle to the bore axis 13, so that conical edge portions 16 are formed.
  • a central region 17 extending essentially coaxially to the bore axis 13
  • two first surface regions 20 are provided in the surface 14, in which macroscopic profile elements 22 are machined.
  • the profile elements 22 are formed in the present embodiment as triangular webs by screwing parallel grooves or a helical groove in the surface 14. In each surface area 20 a plurality of adjacent profile elements 22 is provided.
  • a second surface region 30 is formed, in which only a microscopic roughening 32 is formed by means of a beam processing.
  • second surface regions 30 are arranged, in which only a microscopic roughening 32 is formed without macroscopic profile elements 22.
  • the complicated surface to be produced second surface areas 30 with the microscopic roughening are arranged in the illustrated workpiece 10 in the areas in which the coating to be applied is particularly stressed.
  • the macroscopic profile elements 22 are arranged, which ensure a sufficient connection with the applied coating in these less stressed sections.
  • the subsequent coating is in particular a plasma coating with a metal alloy.
  • the coating has a layer thickness which projects beyond the roughening 32 and the profile elements 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks für eine nachfolgende Oberflächenbeschichtung, bei welchem makroskopische Profilelemente in die Oberfläche eingearbeitet und eine mikroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung ausgebildet werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Werkstück mindestens ein erster Oberflächenbereich vorgesehen wird, in welchen ausschließlich Profilelemente eingearbeitet werden, und dass mindestens ein zweiter Oberflächenbereich vorgesehen wird, in welchem ausschließlich eine mikroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung ausgebildet wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechend bearbeitetes Werkstück sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Anlage zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche sowie Werkstück mit einer bearbeiteten Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks für eine nachfolgende Oberflächenbeschichtung, bei welchem makroskopische Profilelemente in die Oberfläche eingearbeitet und eine mikroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung ausgebildet werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkstück, insbesondere einen Motorblock, mit einer Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlauffläche, welche für eine nachfolgende Beschichtung bearbeitet ist, wobei die Oberfläche mit makroskopischen Profilelementen versehen und mittels Strahlbearbeitung aufgeraut ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks für eine nachfolgende Oberflächenbeschichtung, mit mindestens einer Düseneinrichtung zum Beaufschlagen der Oberfläche mit einem Bearbeitungsfluid bei einem Bearbeitungsdruck zum Aufrauen der Oberfläche und einer Werkzeugeinrichtung zum Ausbilden von definierten Profilelementen in der Oberfläche durch eine Material abtragende Bearbeitung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
An bestimmten Werkstücken ist es gewünscht, Oberflächen mit einer metallischen Beschichtung zu versehen, um diese etwa vor mechanischem oder chemischem Verschleiß zu schützen. Insbesondere bei Zylinderkurbelgehäusen, auch Motorblock genannt, werden verstärkt die Zylinderlaufflächen in den Zylinderbohrungen mit einer Metallbeschichtung versehen. Die Metallbeschichtung kann dabei etwa durch thermische Spritzverfahren mit einer relativ dünnen Schichtdicke von wenigen 100 μιτι bis zu einigen Millimetern aufgebracht werden.
Um eine gute Verbindung zwischen der Oberfläche und der aufgebrachten Metallbeschichtung zu erreichen, ist es bekannt, die Oberfläche vorausgehend zu bearbeiten. Zur Bearbeitung bestehen zwei grundsätzliche Verfahren. So kann die Oberfläche mit einem Fluidstrahl mikroskopisch aufgeraut werden. Dabei wird ein Fluidstrahl mit einem Bearbeitungsdruck von bis zu mehreren 1000 bar auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet. An einer derart mikroskopisch aufgerauten Oberfläche haftet eine metallische Beschichtung sehr gut. Allerdings ist das Aufrauen mittels eines Hochdruckstrahls energie-, zeit- und kostenaufwändig.
Ein weiteres Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche besteht darin, makroskopische Profilelemente Material abtragend in die Oberfläche einzuarbeiten. Insbesondere können dabei wie beim Einschneiden eines Gewindes feine Rillenstrukturen erzeugt werden.
Dieses Erzeugen von Profilelementen ist wesentlich kostengünstiger als die zuvor beschriebene Strahlbearbeitung. Für eine sehr feine Metallbeschichtung ist es jedoch erforderlich, eine sehr feine Rillenstruktur vorzusehen. Die einzelnen Rillenstege sind dabei sehr empfindlich und können bei der nachfolgenden Bearbeitung beschädigt werden und so vorstehenden Grat bilden. Diese können die nachfolgende Beschichtung beeinträchtigen oder sogar unbrauchbar machen.
Bei einer größeren und damit stabileren Ausbildung der Profilelemente besteht das Problem, dass die nachfolgende Metallbeschichtung mit einer entsprechend größeren Schichtdicke aufgetragen werden muss, um eine glattflächige Oberfläche zu erreichen. Eine größere Schicht birgt jedoch Nachteile hinsichtlich eines erhöhten Material-, Energie-, Zeit- und Kostenaufwandes. Zudem können bei übermäßig großen Schichtdicken Festigkeitsnachteile entstehen.
Aus der DE 10 2013 21 1 324 A1 ist es bekannt, auf einer zu beschichtenden Oberfläche zunächst eine makroskopische Rillenstruktur zu erstellen und anschließend diese Rillenstruktur durch eine mikroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung zu überlagern. Dieses Verfahren ist grundsätzlich sehr kostenintensiv, da eine doppelte Bearbeitung der Oberfläche erfolgt. Zudem ist eine mikroskopische Aufrauung nur bei relativ stabilen Rillenstrukturen möglich, da der Fluidstrahl bei einem Bearbeitungsdruck von bis zu mehreren 100 bar feinere Rillen beschädigt oder zerstört.
Die DE 10 2013 014 844 A1 lehrt ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand eines Verbrennungsmotors. Hierbei werden mittels mechanischer Bearbeitung Vertiefungen in die Wand eingebracht und anschließend unter Hochdruck bestrahlt, wodurch Mikrovertiefungen eingebracht werden. Die Mikrovertiefungen können wahlweise über die gesamte zu beschichtende Oberfläche, ausschließlich in Vertiefungen oder den Stegen zwischen den Vertiefungen vorgesehen sein.
Die DE 10 2013 21 1 324 A1 lehrt ein Verfahren und Anlage zum Vorbereiten und Beschichten einer Werkstückoberfläche, bei welchem die Oberfläche mit einem Werkzeug mit einer makroskopischen Struktur versehen wird, welche anschließend mittels eines Fluids mit einer Mikrostruktur versehen wird. Hierbei sind sowohl die Mikrostruktur als auch die makroskopische Struktur über die gesamte Oberfläche des Werkstücks vorgesehen.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks anzugeben, mit welchen die Oberfläche besonders effizient für eine nachfolgende Beschichtung bearbeitet werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Werkstück hierfür anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 10 beziehungsweise mit einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkstück mindestens ein erster Oberflächenbereich vorgesehen wird, in welchem ausschließlich Profilelemente eingearbeitet werden, und dass mindestens ein zweiter Oberflächenbereich vorgesehen wird, in welchem ausschließlich eine makroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung ausgebildet wird. Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die zu beschichtende Oberfläche bereichsweise mikroskopisch aufzurauen und bereichsweise mit einer makroskopischen Struktur zu versehen. Dabei werden die unterschiedlich zu bearbeitenden Bereiche getrennt voneinander gehalten. Auf diese Weise wird eine unnötige doppelte Bearbeitung der Oberflächenbereiche der zu beschichtenden Oberfläche vermieden. In dem ersten Oberflächenbereich sind mehrere Profilelemente ausgebildet.
Ein Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass es für bestimmte Oberflächenbereiche der zu beschichtenden Oberfläche ausreichend ist, wenn diese in kostengünstiger Weise mit makroskopischen Profilelementen versehen werden, während nur bestimmte andere Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche mit der aufwändigeren mikroskopischen Strahlbearbeitung aufgeraut werden.
Insgesamt kann so nach der Erfindung eine sehr gut für die nachfolgende Beschich- tung vorbereitete Oberfläche erzielt werden, wobei ein unnötiger Aufwand einer umfassenden Doppelbearbeitung der zu beschichtenden Oberfläche vermieden ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mehrere nebeneinander liegende erste und zweite Oberflächenbereiche vorgesehen werden. Insbesondere bei einer zu beschichtenden Zylinderlauffläche einer Zylinderbohrung in einem Motorblock sind die jeweiligen Oberflächenbereiche ringförmig nebeneinander liegend und aneinander angrenzend ausgebildet. Dabei können jeweils zwei oder mehr erste und zweite Oberflächenbereiche vorgesehen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, dass in einem Randabschnitt der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks der zweite Oberflächenbereich vorgesehen wird, in welchem ausschließlich eine Aufrau- ung mittels Strahlbearbeitung ausgebildet wird. Nach einer Erkenntnis der Erfindung sind makroskopische Profilelemente in einem Randabschnitt der zu beschichtenden Oberfläche, insbesondere bei Zylinderbohrungen, aufgrund eines teilweisen Freiliegens besonders beschädigungsanfällig. Durch das Vorsehen des zweiten Oberflächenbereiches mit einer ausschließlichen mikroskopischen Aufrauung in dem Randabschnitt wird diese Beschädigungsanfälligkeit deutlich vermindert. Der Randabschnitt weist dabei vorzugsweise eine Breite von 3 mm bis 1 cm auf. Bei einer Zylin- derbohrung sind vorzugsweise beide gegenüber liegenden ringförmigen Randbereiche frei von Profilelementen und nur mikroskopisch aufgeraut.
Die anzubringenden makroskopischen Profilelemente weisen vorzugsweise eine Höhe zwischen 10 μιτι und 500 μιτι auf. Der Abstand der Profilelemente direkt zueinander kann eine entsprechende Größenordnung aufweisen. Die Profilelemente können insbesondere durch Rillen gebildet werden, wobei zwischen den Rillen Stege als eigentliche Profilelemente verbleiben. Im Querschnitt können diese eine eckige, halbrunde oder bogenförmige Kontur aufweisen. Es können auch Profilelemente mit Hin- terschneidungskontur, etwa ein Schwalbenschwanzprofil gefertigt werden. Das Herstellen der Rillen erfolgt vorzugsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung etwa mittels einem Drehmeißel oder einem Fräswerkzeug. Es ist auch eine Bearbeitung mittels Laser oder einem Funkenerosionsverfahren möglich. Die Profilelemente sind vorzugsweise in einer regelmäßigen Struktur ausgebildet und angeordnet.
Im Gegensatz hierzu wird bei der mikroskopischen Strahlbearbeitung durch einen Bearbeitungsstrahl, welcher vorzugsweise auf Wasserbasis und vorzugsweise mit Zusätzen, etwa Schleifpartikeln, sowie Reinigungs- oder Korrosionsschutzmitteln versetzt ist, mit einem Hochdruck die Oberfläche beaufschlagt. Dabei werden einzelne Partikel aus der zu beschichtenden Oberfläche gelöst, so dass eine unregelmäßige mikroskopische Aufrauung erfolgt. Diese unregelmäßige Aufrauung kann im Durchschnitt im Bereich zwischen wenigen μιτι bis 100 μιτι liegen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Randabschnitt mit einer Abschrägung versehen wird. Bei einer ebenen Oberfläche kann die Abschrägung als eine abgeschrägte ebene Fläche ausgebildet sein. Bei einer Bohrung ergibt sich durch die Schrägung ein entsprechend konischer, ringförmiger Randbereich. Der Abschrägungswinkel liegt vorzugsweise zwischen 5° und 45°, vorzugsweise zwischen 10° und 30°. In diesem abgeschrägten Randbereich, welcher durch eine mechanische spanabhebende Bearbeitung erzielt wird, wird die zu beschichtende Oberfläche ausschließlich mittels Strahlbearbeitung aufgeraut. Bei einer zu bearbeitenden Zylinderbohrung können die beiden gegenüberliegenden Randabschnitte mit einer Abschrägung versehen sein. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Pro- filelemente mittels einer Werkzeugeinrichtung materialabtragend erstellt werden. Die Werkzeugeinrichtung ist insbesondere ein Drehmeißel oder ein Fräswerkzeug. Hierdurch können definierte Profilelemente in einer vorgegebenen Struktur in die Oberfläche spanabtragend eingearbeitet werden. Als Werkzeugeinrichtung kann auch ein Laser oder ein Funkenerosionswerkzeug vorgesehen werden.
Die Strahlbearbeitung der zu beschichtenden Oberfläche erfolgt bei einem relativ hohen Bearbeitungsdruck, welcher maßgeblich von dem Material des Werkstücks abhängt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Strahlbearbeitung mit einem Bearbeitungsfluid durchgeführt wird, welches mit einem Bearbeitungsdruck von 500 bar bis 4000 bar, insbesondere 800 bar bis 2500 bar, auf die Oberfläche gerichtet wird. Das Bearbeitungsfluid kann dabei mittels einer oder mehreren Düsen aufgebracht werden. Die Düsen werden über eine Hochdruckpumpe von einem entsprechenden Behälter über Versorgungsleitungen mit dem Bearbeitungsfluid versorgt.
Gemäß der Erfindung weist das Werkstück mindestens einen ersten Oberflächenbereich und mindestens einen zweiten Oberflächenbereich auf, welche unterschiedlich bearbeitet sind. Nach der Erfindung ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch weitere Oberflächenbereiche bestehen, welche anders bearbeitet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Oberfläche mit einer Beschichtung versehen wird. Bei der Beschichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Metallbeschichtung, welche vorzugsweise mit einem thermischen Spritz- oder Beschichtungsverfahren, etwa einem LDS-Beschichtungsverfahren oder einem Plasmabeschichtungsverfahren erzeugt wird. Die Beschichtung wird im Allgemeinen durch eine metallische Legierung gebildet. Grundsätzlich kann die Beschichtung auch eine Keramikbeschichtung oder eine Kunststoffbeschichtung umfassen.
Das erfindungsgemäße Werkstück ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Oberflächenbereich vorgesehen ist, in welchem ausschließlich die Profilelemente ausgebildet sind, und dass mindestens ein zweiter Oberflächenbereich vorge- sehen ist, in welchem ausschließlich eine mikroskopische Aufrauung mittels Strahlbearbeitung vorgesehen ist.
Das Werkstück kann grundsätzlich jedes Werkstück sein, welches eine Oberfläche aufweist, welche mit einer Beschichtung zu versehen ist. Vorzugsweise ist das Werkstück ein Motorblock oder ein Zylinderkurbelgehäuse, welche mindestens eine Zylinderbohrung mit einer zu beschichtenden Zylinderlauffläche aufweisen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstücks ist es vorgesehen, dass der zweite Oberflächenbereich in einem Randabschnitt der zu beschichtenden Oberfläche ausgebildet ist. Der zweite Oberflächenbereich, welcher ausschließlich mit einer mikroskopischen Aufrauung versehen ist, gewährt eine besonders gute Verbindung der aufzubringenden Beschichtung mit der Oberfläche des Werkstücks. Im Randbereich ist dies besonders vorteilhaft, da in diesem Bereich die Oberflächenbeschichtung häufig besonders stark beansprucht ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht nach der Erfindung darin, dass die zu beschichtende Oberfläche in einem Randabschnitt mit einer Abschrägung versehen ist. Durch diese geometrische Oberflächenänderung kann einer erhöhten Beanspruchung Rechnung getragen werden. Es kann hierdurch eine Verdickung der Beschichtung bei einem gleichmäßigen Oberflächenverlauf der Beschichtung bewirkt werden.
Die erfindungsgemäße Anlage zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Werkzeugeinrichtung zum Erstellen der Profilelemente nur in einem ersten Oberflächenbereich als ein Teil der zu beschichtenden Oberfläche gesteuert ist, und dass die Düseneinrichtung ausgebildet und von der Steuereinrichtung gesteuert ist, die Oberfläche des Werkstücks in einem zweiten Oberflächenbereich zu bearbeiten und aufzurauen, welcher von dem ersten Oberflächenbereich getrennt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage können insbesondere das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt und die damit verbundenen Vorteile erzielt werden. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage ist es bevorzugt, dass mindestens eine Reinigungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Reini- gungsfluid auf die Oberfläche bei einem Reinigungsdruck beaufschlagbar ist, welcher geringer ist als der Bearbeitungsdruck. Die Reinigungseinrichtung weist eine Düseneinrichtung auf, mit welcher insbesondere der mindestens eine erste Oberflächenbereich mit den makroskopischen Profilelementen besprüht und gereinigt werden kann. Somit können mit dieser Reinigungseinrichtung verbliebene Späne oder Reste einer von der spanabhebenden Bearbeitung eingesetzten Spül- oder Kühlemulsion von der zu beschichtenden Oberfläche zuverlässig entfernt werden. Die Reinigungseinrichtung kann dabei eine separate zweite Düseneinrichtung oder dieselben Düsenelemente der ersten Düseneinrichtung verwenden, welche zur Strahlbearbeitung vorgesehen sind. Die Reinigungseinrichtung weist dabei einen Behälter für das Reinigungsfluid auf, welches über eine Pumpe zu dem mindestens einen Düsenelement der Reinigungseinrichtung über eine Reinigungsfluidleitung geleitet werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Bearbeitungsdruck auf 500 bar bis 4000 bar, vorzugsweise 800 bar bis 2500 bar, eingestellt ist und dass der Reinigungsdruck auf 5 bar bis 500 bar eingestellt ist. Der Reinigungsdruck der Reinigungseinrichtung ist somit - abhängig vom Material des Werkstücks - deutlich geringer als der Bearbeitungsdruck, so dass beim Reinigen eine Beschädigung der feinen Profilelemente in dem ersten Oberflächenbereich praktisch vermieden wird.
Grundsätzlich ist es möglich, als Reinigungsfluid dasselbe Bearbeitungsfluid zu verwenden, welches für die mikroskopische Aufrauung vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Reinigungsfluid gleich oder unterschiedlich zu dem Bearbeitungsfluid. Insbesondere ist das Reinigungsfluid frei von Schleif- oder Abtragspartikeln und kann etwa fettlösende Tenside sowie andere für die Reinigung vorteilhafte Zusätze aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, welches in einer Teilquerschnittsansicht in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Fig. 1 zeigt einen Teil eines Werkstücks 10 mit einer im Halbschnitt dargestellten Zylinderbohrung 12 mit einer Bohrungsachse 13. Die Zylinderbohrung 12 weist eine zu beschichtende Oberfläche 14 auf, welche nach der Beschichtung als eine Zylinderlauffläche in einem Motorblock dient.
Die zu beschichtende Oberfläche 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei in den beiden seitlichen Randabschnitten 16 nach außen gerichtete Abschrägungen 18 ausgebildet sind. Die Abschrägungen 18 weisen einen Schrägungswinkel zur Bohrungsachse 13 auf, so dass konische Randabschnitte 16 gebildet sind. In einem im Wesentlichen koaxial zur Bohrungsachse 13 verlaufenden Mittenbereich 17 sind in die Oberfläche 14 zwei erste Oberflächenbereiche 20 vorgesehen, in welchen makroskopische Profilelemente 22 spanabhebend eingearbeitet sind. Die Profilelemente 22 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als dreieckige Stege durch Eindrehen von parallelen Rillen oder einer helixförmigen Rille in die Oberfläche 14 ausgebildet. In jedem Oberflächenbereich 20 ist eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Profilelementen 22 vorgesehen.
Zwischen den beiden ersten Oberflächenbereichen 20 ist ein zweiter Oberflächenbereich 30 ausgebildet, in welchen lediglich eine mikroskopische Aufrauung 32 mittels einer Strahlbearbeitung ausgebildet ist.
Auch in den beiden äußeren Randabschnitten 16 mit den Abschrägungen 18 sind zweite Oberflächenbereiche 30 angeordnet, in welchen lediglich eine mikroskopische Aufrauung 32 ohne makroskopische Profilelemente 22 ausgebildet ist.
Die aufwändig herzustellenderen zweiten Oberflächenbereiche 30 mit der mikroskopischen Aufrauung sind bei dem dargestellten Werkstück 10 in den Bereichen angeordnet, in welchen die aufzubringende Beschichtung besonders beansprucht ist. In den geringer beanspruchten ersten Oberflächenbereichen 20 sind die makroskopischen Profilelemente 22 angeordnet, welche eine ausreichende Verbindung mit der aufzubringenden Beschichtung in diesen weniger beanspruchten Abschnitten sicherstellen. Die nachfolgende Beschichtung ist insbesondere eine Plasmabeschichtung mit einer Metalllegierung. Die Beschichtung weist eine Schichtdicke auf, welche die Aufrauung 32 und die Profilelemente 22 überragt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten und Aufrauen einer Oberfläche eines Werkstücks (10) für eine nachfolgende Oberflachenbeschichtung, bei welchem makroskopische Profilelemente (22) in die Oberfläche (14) eingearbeitet und eine mikroskopische Aufrauung (32) mittels Strahlbearbeitung ausgebildet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Werkstück (10) mindestens ein erster Oberflächenbereich (20) vorgesehen wird, in welchen ausschließlich Profilelemente (22) eingearbeitet werden, und
dass mindestens ein zweiter Oberflächenbereich (30) vorgesehen wird, in welchem ausschließlich eine mikroskopische Aufrauung (32) mittels Strahlbearbeitung ausgebildet wird,
dass in einem Randabschnitt (16) der zu beschichtenden Oberfläche (14) des Werkstücks (10) der zweite Oberflächenbereich (30) vorgesehen wird, in welchem ausschließlich die Aufrauung (32) mittels Strahlbearbeitung ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere nebeneinander liegende erste und zweite Oberflächenbereiche (20, 30) vorgesehen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Randabschnitt (16) mit einer Abschrägung (18) versehen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente (22) mittels einer Werkzeugeinrichtung materialabtragend erstellt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlbearbeitung mit einem Bearbeitungsfluid durchgeführt wird, welches mit einem Bearbeitungsdruck von 500 bar bis 4000 bar, insbesondere 800 bar bis 2500 bar, auf die Oberfläche (14) gerichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche (14) mit einer Beschichtung versehen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Bearbeiten die Oberfläche (14) zumindest bereichsweise mit einem Reinigungsfluid bei einem Reinigungsdruck beaufschlagt und gereinigt wird, welcher geringer ist als der Bearbeitungsdruck.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reinigungsfluid gleich oder unterschiedlich zu dem Bearbeitungsfluid ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reinigungsdruck zwischen 5 bar und 500 bar eingestellt wird.
10. Werkstück, insbesondere Motorblock, mit einer Oberfläche (14), insbesondere einer Zylinderlauffläche, welche für eine nachfolgende Beschichtung bearbeitet ist, wobei die Oberfläche (14) mit makroskopischen Profilelementen (22) versehen und mittels Strahlbearbeitung aufgeraut ist, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein erster Oberflächenbereich (20) vorgesehen ist, in welchem ausschließlich die Profilelemente (22) ausgebildet sind, und dass mindestens ein zweiter Oberflächenbereich (30) vorgesehen ist, in welchem ausschließlich eine mikroskopische Aufrauung (32) mittels Strahlbearbeitung vorgesehen ist, und
dass der zweite Oberflächenbereich (30) in einem Randabschnitt (16) der zu beschichtenden Oberfläche (14) ausgebildet ist.
11. Werkstück nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zu beschichtende Oberfläche (14) in einem Randabschnitt (16) mit einer Abschrägung (18) versehen ist.
12. Anlage zum Herstellen eines Werkstücks nach einem der Ansprüche 7 und 8, mit
- mindestens einer Düseneinrichtung zum Beaufschlagen der Oberfläche (14) mit einem Bearbeitungsfluid bei einem Bearbeitungsdruck zum Aufrauen der Oberfläche (14) und
- einer Werkzeugeinrichtung zum Ausbilden von definierten Profilelementen (22) in der Oberfläche (14) durch eine materialabtragende Bearbeitung, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Werkzeugeinrichtung zum Erstellen der Profilelemente (22) nur in einem ersten Oberflächenbereich (20) als ein Teil der zu beschichtenden Oberfläche (14) gesteuert ist, und dass die Düseneinrichtung ausgebildet und von der Steuereinrichtung gesteuert ist, die Oberfläche (14) des Werkstücks (10) in einem zweiten Oberflächenbereich (30) zu bearbeiten und aufzurauen, welcher von dem ersten Oberflächenbereich (20) getrennt ist.
13. Anlage nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Reinigungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Reinigungsfluid auf die Oberfläche bei einem Reinigungsdruck beaufschlagbar ist, welcher geringer ist als der Bearbeitungsdruck.
14. Anlage nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsdruck auf 500 bar bis 4000 bar, vorzugsweise 800 bar bis 2500 bar, eingestellt ist und
dass der Reinigungsdruck auf 5 bar bis 500 bar eingestellt ist.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reinigungsfluid unterschiedlich ist zu dem Bearbeitungsfluid.
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