DE102006051719A1

DE102006051719A1 - Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Reibkontaktfläche aus elektrisch leitfähigem Material und Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung

Info

Publication number: DE102006051719A1
Application number: DE102006051719A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Dr.-Ing. Erdmann; Karl Dr.Rer.Nat. Holdik; Thomas Kränzler; Thomas Dipl.-Ing. Neudecker
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP2010508158A; US20100038259A1; WO2008052652A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von einer beschichteten, im Wesentlichen zylinderförmigen Reibkontaktfläche (2) aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die Reibkontaktfläche (2) elektrochemisch bearbeitet wird. Weiterhin wird eine Elektrode (3) zur elektrochemischen Bearbeitung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Reibkontaktfläche aus elektrisch leitfähigem Material sowie eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung.
Aus der DE 103 16 919 A1 ist ein Verfahren zur Instandsetzung eines Motorbauteils bekannt. Dabei wird die instand zu setzende Kolbenlauffläche eines Zylinders durch eine Plasmaschicht, welche mittels thermischen Plasmaspritzens aufgebracht wird, und anschließende mechanische Bearbeitung der beschichteten Kolbenlauffläche durch Honen wieder hergestellt. Nachteilig sind allerdings die vielen aufwendigen und kostenintensiven Verfahrensschritte, wie zum Beispiel die mehrfache mechanische Feinbearbeitung durch Honen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten im Wesentlichen zylinderförmigen Reibkontaktfläche anzugeben.
Die Aufgabe in Bezug auf das anzugebende Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Reibkontaktfläche wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Elektrode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Bearbeitung einer beschichteten, im Wesentlichen zylinderförmigen Reibkontaktfläche aus elektrisch leitfähigem Material eine elektrochemisches Bearbeitungsverfahren verwendet wird.
Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass so die beschichtete im Wesentlichen zylinderförmige Reibkontaktfläche geometrisch hochgenau und mit einer wesentlich verbesserten, da feineren Oberflächenfeingestalt bearbeitet wird. Derartige Oberflächenfeingestalten sind mittels konventioneller mechanischer Bearbeitung nicht oder nur mit extrem erhöhtem Aufwand herstellbar. In Verbindung mit einer Beschichtung, insbesondere einer thermisch gespritzten Beschichtung, der Reibkontaktfläche entsteht so eine wesentlich verschleißbeständigere Reibkontaktfläche, die wesentlich höher Reibungskräfte ertragen kann. Gleichzeitig ist das Bearbeitungsverfahren wesentlich vereinfacht und wirtschaftlicher, da mehrere Bearbeitungsschritte bei der mechanischen Bearbeitung durch beispielsweise zerspanende Bearbeitung eingespart werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass gerade bei thermisch beschichteten Reibkontaktflächen, wobei die thermische Beschichtung verfahrensbedingt eine höhere Porosität und Oberflächenrauheit aufweist, die Oberflächenrauheit durch elektrochemisches Abtragen der Rauheitsspitzen geglättet wird und die Porosität der Schicht gleichzeitig erhalten wird. Dies führt beim späteren Einsatz der Reibkontaktfläche in einem geschmierten Reibkontakt dazu, dass durch die Porosität der Schicht Schmiermittel in der Beschichtung gespeichert werden kann, was zu erheblich verbesserten tribologischen Eigenschaften und einer erhöhten Verschleißbeständigkeit der beschichteten Reibkontaktfläche führt.
Durch entsprechende Ausgestaltung einer Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung, als stabförmiger Zapfen mit für die Bearbeitung aktiver Außenfläche oder alternativ rohrförmiger Elektrode mit für die Bearbeitung aktiver Innenfläche, können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtete Innenflächen eines Zylinders oder alternativ beschichtete Außenflächen einer Welle bearbeitet werden.
Für das elektrochemische Bearbeitungsverfahren werden hinlänglich bekannte Vorrichtungen zur elektrochemischen Bearbeitung eingesetzt. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung (ECM – ElectroChemical Machining) oder auch der weiter entwickelten elektrochemischen Bearbeitung, der so genannten gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM – Pulsed ElectroChemical Machining), ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeug und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei Werkzeug und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest und definiert positioniert, so dass auf dem Bearbeitungsobjekt die Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bearbeitung abgebildet wird. Alternativ zur festen Positionierung können das Bearbeitungsobjekt und das Werkzeug auch relativ zueinander bewegt werden, vorzugsweise in einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung. Für das PECM-Verfahren ist es insbesondere auch sinnvoll eine oszillierende Bewegung mit einer Translation oder Rotation zu kombinieren, wobei die Oszillationsfrequenz auf die Pulsfrequenz der elektrochemischen Bearbeitung abgestimmt wird. Gleichfalls kann bei der PECM-Bearbeitung die relative Bewegung auch auf die Pulsfrequenz getaktet ausgeführt werden. Bei der Bearbeitung wird zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem zu bearbeitendes Objekt eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Bearbeitungsobjekt als Anode und das Bearbeitungswerkzeug als Kathode geschaltet wird. Für die Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise kleiner als 1 mm, zwischen Werkzeug (Kathode) und Objekt (Anode) mit einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone herausgespült. Das PECM-Verfahren weist eine weitaus geringere Spaltbreite zwischen Werkzeug und Objekt auf, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2 mm, und besitzt deshalb eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit als das ECM-Verfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht permanent anliegt, wie beim ECM-Verfahren, sondern als gepulster Strom zugeführt wird. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
Somit wird mittels der elektrochemischen Bearbeitung die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen. Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel jedoch ein herkömmlicher Elektrodenaufbau verwendet, der eine auf die herzustellende Geometrie ausgelegte spezielle geometrische Ausgestaltung aufweist, beispielsweise den exakten Durchmesser einer herzustellenden Zylinderlauffläche.
Auf Grund des berührungslosen Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der elektrochemischen Bearbeitung nur ein minimaler Werkstoffabtrag von weniger als 2,5 mm stattfindet, vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm. Weiterhin wird der Materialabtrag, d.h. die Abtragsrate bei der elektrochemischen Bearbeitung, direkt über die im Verfahren angelegte Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung gesteuert, so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche angepasst werden kann. D.h. für eine abzutragende höhere Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil zu wählen und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen. Die elektrochemische Bearbeitung von beschichteten Reibkontaktflächen insbesondere von Zylinderlaufflächen von Verbrennungskraftmaschinen wird damit auch für eine Serienfertigung wirtschaftlich. Die Bearbeitungszeit reduziert sich je nach Werkstoffabtrag auf eine Taktzeit von wenigen Sekunden, vorzugsweise bei einem Materialabtrag von 0,1 mm auf unter 10 sec. Durch Parallelbearbeitung mehrerer Bauteile kann diese Taktzeit weiter reduziert werden.
In Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des Verfahrens wird diese speziell durch das PECM-Verfahrens weiter vorteilhaft gesteigert, wodurch eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten R_Z kleiner als 5 μm erzielt wird, vorzugsweise R_Z im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm. Damit wird im Vergleich zur konventionellen mechanischen Bearbeitung eine Oberfläche hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist und damit eine höhere Verschleißbeständigkeit aufweist.
Ein weiterer Vorteil des PECM-Verfahrens ist, dass durch entsprechende Ausgestaltung der Elektrode eine hochgenaue und präzise Bearbeitung mit einer Mikrostrukturierung der Bearbeitungsoberfläche ermöglicht wird, beispielsweise eine Mikrostrukturierung in Form von Mikroschmierstofftaschen oder definiert ausgerichteten Mikroriefen, wodurch die Verschleißbeständigkeit und Belastbarkeit der Reibkontaktfläche weiter gesteigert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die beschichteten Reibkontaktflächen bezogen auf ihren Querschnitt durch die elektrochemische Bearbeitung definiert geometrisch unrund bearbeitet.
Der Vorteil dabei ist, dass durch die bezüglich des Querschnitts geometrisch unrunde Bearbeitung der Reibkontaktfläche mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens Verspannung der Reibkontaktfläche im Belastungszustand infolge Deformation der Reibkontaktfläche reduziert werden. Damit werden die Belastbarkeit und die Verschleißbeständigkeit der Reibkontaktfläche weiter vorteilhaft gesteigert.
Unter einer derartigen geometrisch unrunden Bearbeitungsgeometrie sind dabei nicht rotationssymmetrische Geometrien bezüglich des geometrischen Mittelpunkts des vor der elektrochemischen Bearbeitung im wesentlich kreisrunden oder ringförmigen Querschnitts der Reibkontaktfläche zu verstehen. Beispielsweise ist darunter eine elliptische, also ovalisierte, Bearbeitungsgeometrie der Reibkontaktfläche zu verstehen. Eine derartige Bearbeitung ist zumindest mit vertretbarem Aufwand mit konventioneller mechanischer Bearbeitung nicht herstellbar, wobei dies bei elektrochemischer Bearbeitung auf einfache Art und Weise durch entsprechende Ausgestaltung der Elektrode bearbeitet wird.
Der Vorteil einer ovalisierten Bearbeitungsgeometrie insbesondere bei einer Zylinderlauffläche ist, dass diese im Belastungszustand, d.h. im deformierten Zustand infolge definiert wirkender thermischer und mechanischer Kräfte, eine im wesentlich exaktere rotationssymmetrische Zylindergeometrie aufweist. Im Vergleich zur konventionellen kreisrunden mechanischen Bearbeitung einer Zylinderlauffläche, welche im Belastungszustand unsymmetrisch deformiert wird, wird durch die ovalisierte Bearbeitung eine Zylinderlauffläche gewährleistet, welche eine erheblich höhere Verschleißbeständigkeit und Laufruhe aufweist. Die jeweilige Ausgestaltung der ovalisierten Reibkontaktfläche ist abhängig von den im Belastungsfall auftretenden Kräften, allerdings ist die Differenz von Haupt- und Nebenachse einer solchen ovalen Bearbeitungsgeometrie betragsmäßig kleiner als 1000 μm, vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 100 μm.
Für die exakte Lage der unrunden Bearbeitungsgeometrie der Reibkontaktfläche ist der Bereich bzw. sind die Bereiche der Krafteinleitung im Belastungszustand auf die Reibkontaktfläche maßgebend.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die elektrochemische Bearbeitung für elektrisch leitfähige Materialien ein werkstoffunabhängiges Bearbeitungsverfahren ist. D.h. auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder Materialien bearbeitet werden können, die durch reine mechanische Bearbeitung nur unzureichend oder unter hohem Kostenaufwand auf Endkontur bearbeitbar sind, beispielsweise sehr schwer zerspanbare thermische Spritzschichten, insbesondere auf Eisen-Chrom-Basis.
Weitere Gegenstände der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und der Figur näher erläutert.
1 zeigt dabei eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Querschnitts durch einen Zylinder eines Zylinderliners (1) für die Verwendung in einem Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine und einer erfindungsgemäßen Bearbeitungselektrode (3) am Ende der elektrochemischen Bearbeitung. Zum besseren Verständnis wurde die ovale Ausgestaltung der Reibkontaktfläche (2) des Zylinderliners (1) überhöht dargestellt.
Für die Fertigung von 4-Zylinder-Reihenmotoren für Kraftfahrzeuge werden Zylinderliner (1) aus Grauguss in ein Kurbelgehäuse aus Aluminium eingegossen. Die Zylinderlaufbahnen eines Zylinderliners (1) werden mit einer verschleißbeständigen Eisenchromschicht (2) mittels thermischen Spritzens durch Laser-Draht-Spritzen (LDS) beschichtet. Die Schichtdicke der Eisenchromschicht (2) beträgt 0,5 mm. Der Innendurchmesser eines zu beschichtenden Zylinders (1) beträgt 75 mm bei einer Höhe von 100 mm.
In einem daran anschließenden Verfahrensschritt erfolgt die endgültige Bearbeitung der Zylinderlaufbahnen mittels PECM. Die elektrochemische Bearbeitung erfolgt auf einer herkömmlichen hier nicht weiter beschriebenen Vorrichtung zur PECM-Bearbeitung. Die für die Bearbeitung erforderlichen Anschlussmittel zur Aufnahme der Elektroden (3), zur Stromversorgung, zur definierten Positionierung des Zylinderliners (1) relativ zu den Elektroden (3) und zur weiteren Prozessteuerung sind hierbei nicht näher erläutert aber selbstverständlich vorhanden.
Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der PECM-Bearbeitung erfolgt die elektrochemische Bearbeitung der vier Zylinderlaufflächen eines Zylinderliners (1) parallel, wozu die Vorrichtung eine entsprechende Anzahl an Elektroden (3) aufweist.
Für die PECM-Bearbeitung einer beschichteten Zylinderlauffläche (2) wird eine Elektrode (3) verwendet, die eine Höhe von 110 mm und eine ovale Grundform aufweist, wobei die Differenz von Hauptachse b und Nebenachse a betragsmäßig 10 μm beträgt und über die Höhe der Elektrode (3) konstant ist. Die ovale Grundform ist über die Höhe der Elektrode (3) konstant. Bei der PECM-Bearbeitung ist die komplette umfängliche Außenfläche der Elektrode (3) elektrochemisch aktiv, d.h. am Werkstoffabtrag beteiligt. Die Stirnfläche der Elektrode (3) ist isoliert.
Durch ihre spezielle Ausgestaltung erzeugen die beschriebenen Elektroden (3) bei der PECM-Bearbeitung die gewünschte ovalisierte Bearbeitungsgeometrie der beschichteten Zylinderlauffläche.
Im Verfahren zur PECM-Bearbeitung wird der Zylinderliner (1) definiert in der Vorrichtung aufgenommen und eingespannt. Anschließend werden die ovalisierten Bearbeitungselektroden (3) in den einzelnen Zylindern (1) automatisch positioniert. Dabei umschließt eine beschichtete Zylinderlauffläche (2) eine zuvor beschriebene ovalisierte Elektrode (3) so, dass die Nebenachse a der ovalisierten Bearbeitungselektrode (3) senkrecht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte der vier in Reihe angeordneten Zylinder im Zylinderliner (1) steht. Daraus ergibt sich ein minimaler Arbeitsspalt von ca. 0,1 mm im Bereich zwischen der beschichteten Zylinderlauffläche (2) und der Bearbeitungselektrode, welcher in Richtung der Hauptachse b und senkrecht zur Nebenachse a der Bearbeitungselektrode (3) steht. Die Elektrolytlösung, eine gebräuchliche Salzlösung, wird hier von oben der Bearbeitung unter Umgebungsdruck zugeführt, ist aber ebenso auf beliebige andere Art und Weise der Bearbeitung zuführbar. Die PECM-Bearbeitung findet mit einer Taktzeit von 10 sec statt.
Der Verfahrensablauf findet vollautomatisiert statt, so dass nach Beendigung der PECM-Bearbeitung der bearbeitete Zylinderliner (1) automatisiert aus der Vorrichtung entnommen wird und ein weiterer neu zu bearbeitender Zylinderliner (1) in die Vorrichtung eingesetzt wird.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung von einer beschichteten, im wesentlichen zylinderförmigen Reibkontaktfläche (2) aus elektrisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkontaktfläche (2) elektrochemisch bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkontaktfläche (2) in ihrem Querschnitt durch die elektrochemische Bearbeitung geometrisch unrund bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkontaktfläche (2) in ihrem Querschnitt durch die elektrochemische Bearbeitung geometrisch ovalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkontaktfläche (2) durch die elektrochemische Bearbeitung definiert mikrostrukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Bearbeitung eine Bearbeitungselektrode (3) und die zu bearbeitende Reibkontaktfläche (2) relativ zueinander bewegt werden, insbesondere translatorisch, rotatorisch und/oder oszillierend.
Elektrode (3) zur elektrochemischen Bearbeitung, wobei die Elektrode (3) zapfenförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3) einen ovalen Querschnitt aufweist.
Elektrode (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3) einen Rohrquerschnitt aufweist.
Elektrode (3) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Elektrodenfläche, welcher bei der elektrochemischen Bearbeitung elektrochemisch aktiv ist, eine Mikrostrukturierung aufweist.