DE102008052343B4

DE102008052343B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand

Info

Publication number: DE102008052343B4
Application number: DE200810052343
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Lahres Michael; Dipl.-Ing.(FH) Neufang Oliver; Dr. Ziegler Marcus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: DE102008052343A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand (1) eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, bei dem die Zylinderwand (1) mittels einer konfokalen Kamera inspiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwand (1) nach einer mechanischen Bearbeitung der Zylinderwand (1) untersucht wird, wobei bei der mechanischen Bearbeitung mittels eines Schneidwerkzeugs regelmäßige Hinterschneidungen in die Zylinderwand (1) eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand eines Zylinders, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Zylinderwand mittels einer Kamera inspiziert wird. Gattungsgemäße Verfahren sind z. B. bekannt aus WO 2004/046642 A2 , DE 10 2007 012 654 A1 oder DE 10140368 C2 .
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen bzw. deren Wandungen mit einer Laufflächenschicht versehen oder es werden Laufbuchsen in die Zylinderbohrungen eingesetzt, welche mit einer Laufflächenschicht versehen werden. Das Aufbringen solcher Laufflächenschichten erfolgt zumeist mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern. Zur besseren Haftung der Schicht ist es bekannt, die Zylinderbohrung (auch Zylinderwand genannt) mit Hinterschneidungen zu versehen. Dies kann beispielsweise mittels Wasserstrahlschneiden oder Innendrehen erfolgen. Um eine reproduzierbare Haftung der Schicht sicherzustellen, muss die Oberflächenqualität der Zylinderwand nach dem Einbringen der Hinterschneidungen untersucht werden.
Aus der DE 196 41 719 C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Sonde in eine Zylinderbohrung eingeführt und in dieser zur Durchführung einer Messung arretiert wird. Die Sonde umfasst eine Kamera zur optischen Inspektion der Zylinderbohrung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand eines Zylinders anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand eines Zylinders für einen Verbrennungsmotor wird die Zylinderwand mittels einer Kamera inspiziert. Hierzu wird eine konfokale Kamera verwendet. Bei einer konfokalen Kamera ist eine Beleuchtung vorgesehen, die über einen Strahlteiler durch ein Objektiv in eine Probe, in diesem Fall, den untersuchten Bereich der Zylinderwand, hinein fokussiert wird. Das dabei von der Probe reflektierte Licht wird durch das gleiche Objektiv über den Strahlteiler geführt und dabei aus dem optischen Pfad der Beleuchtung abgezweigt, anschließend auf eine Lochblende abgebildet und gelangt von dort auf einen Detektor. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kamera, bei der die Probe immer aus einem von einer optischen Achse der Kamera abweichenden Winkel beleuchtet wird, sind hier ein Beleuchtungs- und ein Detektionsfokus konfokal. Mit einer solchen Kamera lassen sich virtuelle optische Schnitte durch die Probe erzeugen, aus denen mittels einer geeigneten Bildbearbeitung räumliche Darstellungen der Probe erzeugt werden können. Auf diese Weise kann eine Tiefe von Strukturen der Probe erfasst werden, was mit einer herkömmlichen Kamera nicht möglich ist.
Das Verfahren wird angewandt, nachdem die Zylinderwand mittels eines Schneidwerkzeugs mechanisch bearbeitet wurde, um regelmäßige Hinterschneidungen in die Zylinderwand einzubringen. Auf diese Weise kann die Qualität der Hinterschneidungen sichergestellt werden, bevor eine Beschichtung der Zylinderwand erfolgt.
Vorzugsweise wird ein Zustand des Schneidwerkzeugs vor und nach der mechanischen Bearbeitung untersucht. Wird dabei eine Beschädigung des Schneidwerkzeugs festgestellt, deutet dies auch auf ein Qualitätsproblem in der Zylinderwand hin, beispielsweise das Vorliegen von Lunkern, das heißt Einschlüssen aus hartem Material. In diesem Fall kann die Untersuchung der Zylinderwand entfallen, da eine Beschädigung der Zylinderwand praktisch sicher ist. Ist das Schneidwerkzeug nach der mechanischen Bearbeitung zumindest annähernd im selben Zustand wie vor der mechanischen Bearbeitung, kann die Untersuchung der Zylinderwand mittels der konfokalen Kamera auf drei ausgewählte Bereiche beschränkt werden, die in geeigneter Weise so über die Zylinderwand verteilt sind, dass die Oberflächenqualität nahezu sicher vollständig bestimmt ist. Als Redundanzmessung kann die Untersuchung eines vierten Bereichs vorgesehen sein. Verglichen mit einer Untersuchung der gesamten Zylinderwand kann die Untersuchung so erheblich beschleunigt werden, so dass sich die Durchlaufzeiten verbessern.
Die Untersuchung des Zustands des Schneidwerkzeugs kann mittels eines Laserprofilometers oder mittels eines Mikroskops durchgeführt werden.
Die drei oder mehr ausgewählten Bereiche werden bevorzugt so gewählt, dass sie voneinander bezüglich einer Längsachse des Zylinders axial und angular beabstandet sind, beispielsweise befindet sich ein erster Bereich oben an der Zylinderwand bei 0°, ein zweiter Bereich in der Mitte der Zylinderwand bei 120° und ein dritter Bereich unten an der Zylinderwand bei 240°, so dass die Bereiche angular jeweils 120° voneinander beabstandet sind.
Die regelmäßigen Hinterschneidungen werden bevorzugt in die Zylinderwand eingebracht, indem eine schraubenförmige Rille in die Zylinderwand geschnitten und zwischen benachbarten Windungen der Rille befindliche Stege der Zylinderwand durch plastische Verformung zumindest teilweise in die benachbarten Windungen hinein gedrückt werden.
Aus der mittels der konfokalen Kamera gewonnenen räumlichen Darstellung der Bereiche der Zylinderwand wird zur Beurteilung der Oberflächenqualität beispielsweise ein Achsabstand eines Profilgrundes der Rille zu einer Längsachse des Zylinders bestimmt, um einen Vorschub des Schneidwerkzeugs zu kontrollieren.
Weiter kann zur Bestimmung der Oberflächenqualität eine Tiefe der Rille bestimmt werden, wodurch sich die Qualität weiterer mechanischer Feinbearbeitungsschritte wie Schlichten und Aufrauen sowie die Axialität und gegebenenfalls der Zustand des Schneidwerkzeugs bewerten lässt.
Die Verformung der zwischen den benachbarten Windungen der Rille befindlichen Stege der Zylinderwand erfolgt beispielsweise V-förmig durch mittiges Eindrücken mit einer Kante. Zur Bestimmung der Oberflächenqualität kann aus der mittels der konfokalen Kamera gewonnenen räumlichen Darstellung der Bereiche der Zylinderwand zur Beurteilung der Oberflächenqualität eine Tiefe der V-Form und damit ein Umformgrad des Steges zwischen den Rillen bestimmt werden, woraus auf den Zustand der Hinterschneidung geschlossen werden kann.
Ebenso kann eine Symmetrie der V-Form bestimmt werden, woraus auf die Qualität der Hinterschneidung links und rechts des Steges zwischen den Rillen geschlossen werden kann. Weiterhin kann eine lichte Weite der Rille bestimmt werden, woraus ebenfalls auf den Umformgrad des Steges zwischen den Rillen und auf einen Hinterschnittwinkel geschlossen werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Untersuchung mittels der konfokalen Kamera, nachdem die Hinterschneidungen oder die Rille mittels Druckluft oder einer Flüssigkeit gespült worden sind.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Zylinderwand mit vier für eine Untersuchung mittels einer konfokalen Kamera ausgewählten Bereichen, und
2 einen Längsschnitt durch die Zylinderwand mit einer in die Zylinderwand eingebrachten schraubenförmigen Rille.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Zylinderwand 1 eines Zylinders eines Verbrennungsmotors mit vier für eine Untersuchung mittels einer konfokalen Kamera ausgewählten Bereichen 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 gezeigt.
Die Zylinderwand 1 wird mittels eines Schneidwerkzeugs mechanisch bearbeitet, um regelmäßige Hinterschneidungen in die Zylinderwand 1 einzubringen.
In 2 ist ein Längsschnitt durch die Zylinderwand 1 mit einer in die Zylinderwand 1 eingebrachten schraubenförmigen Rille 3 gezeigt, die mit dem Schneidwerkzeug eingebracht wurde, beispielsweise durch Innendrehen. Zwischen benachbarten Windungen 3.1, 3.2 der Rille 3 befindliche Stege 4.1, 4.2, 4.3 der Zylinderwand 1 werden durch plastische Verformung zumindest teilweise in die benachbarten Windungen 3.1, 3.2 hinein gedrückt. Dabei entsteht die gezeigte V-Form der Stege mit Hinterschnittwinkeln α, in denen ein Beschichtungsmaterial einer später aufzubringenden Schicht, beispielsweise einer Verschleißschutzschicht haftet. Um die Qualität der so erzeugten Hinterschneidungen reproduzierbar zu machen, wird ein Zustand des Schneidwerkzeugs vor und nach der mechanischen Bearbeitung untersucht. Wird dabei eine Beschädigung des Schneidwerkzeugs festgestellt, deutet dies auch auf ein Qualitätsproblem in der Zylinderwand 1 hin, beispielsweise das Vorliegen von Lunkern, das heißt Einschlüssen aus hartem Material. In diesem Fall kann eine weiter Untersuchung der Zylinderwand 1 entfallen und der Zylinder als Ausschuss betrachtet werden. Ist das Schneidwerkzeug nach der mechanischen Bearbeitung zumindest annähernd im selben Zustand wie vor der mechanischen Bearbeitung, kann die Untersuchung der Zylinderwand 1 mittels einer konfokalen Kamera erfolgen. Mit einer solchen Kamera lassen sich virtuelle optische Schnitte durch die Zylinderwand erzeugen, aus denen mittels einer geeigneten Bildbearbeitung räumliche Darstellungen der Zylinderwand erzeugt werden können, von denen ein Ausschnitt in 2 gezeigt ist.
Die Untersuchung mittels der konfokalen Kamera kann auf drei in 1 gezeigte ausgewählte Bereiche 2.1, 2.2, 2.3 beschränkt werden, die in geeigneter Weise so über die Zylinderwand 1 verteilt sind, dass die Oberflächenqualität nahezu sicher vollständig bestimmt ist. Als Redundanzmessung kann die Untersuchung eines vierten Bereichs 2.4 vorgesehen sein.
Die drei oder mehr ausgewählten Bereiche 2.1 bis 2.4 werden so gewählt, dass sie voneinander bezüglich einer Längsachse des Zylinders axial und angular beabstandet sind, beispielsweise befindet sich der Bereich 2.1 oben an der Zylinderwand 1 bei 0°, der zweite Bereich 2.2 in der Mitte der Zylinderwand 1 bei 120° und der dritte Bereich 2.3 unten an der Zylinderwand 1 bei 240°, so dass die Bereiche 2.1, 2.2, 2.3 angular jeweils 120° voneinander beabstandet sind. Der vierte Bereich 2.4 ist im gezeigten Beispiel angular an der gleichen Position wie der Bereich 2.1, könnte jedoch auch anders angeordnet sein.
Die Untersuchung des Zustands des Schneidwerkzeugs kann mittels eines Laserprofilometers oder mittels eines Mikroskops durchgeführt werden.
Aus der mittels der konfokalen Kamera gewonnenen räumlichen Darstellung der Bereiche 2.1 bis 2.4 der Zylinderwand 1 wird zur Beurteilung der Oberflächenqualität beispielsweise ein Achsabstand eines Profilgrundes der Rille 3 zu einer Längsachse des Zylinders bestimmt.
Weiter kann zur Bestimmung der Oberflächenqualität eine Tiefe t der Rille 3 bestimmt werden.
Die Verformung der zwischen den benachbarten Windungen 3.1, 3.2 der Rille 3 befindlichen Stege 4.1, 4.2, 4.3 der Zylinderwand 1 erfolgt beispielsweise V-förmig durch mittiges Eindrücken mit einer Kante. Zur Bestimmung der Oberflächenqualität kann aus der mittels der konfokalen Kamera gewonnenen räumlichen Darstellung der Bereiche 2.1, bis 2.4 der Zylinderwand 1 zur Beurteilung der Oberflächenqualität eine Tiefe der V-Form und damit ein Umformgrad des Steges 4.1 bis 4.3 zwischen den Windungen 3.1, 3.2 bestimmt werden.
Ebenso kann eine Symmetrie der V-Form bestimmt werden. Weiterhin kann eine lichte Weite der Windung 3 bestimmt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Untersuchung mittels der konfokalen Kamera, nachdem die Hinterschneidungen oder die Rille 3 mittels Druckluft oder einer Flüssigkeit gespült worden sind.
Es kann eine beliebige Anzahl von Windungen 3.1 bis 3.n mit einer entsprechenden Anzahl von dazwischen liegenden Stegen 4.1 bis 4.n – 1 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderwand
2.1 bis 2.n: Bereich
3: Rille
3.1 bis 3.n: Windung
4.1 bis 4.n – 1: Steg
α: Hinterschnittwinkel

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenqualität einer Zylinderwand (1) eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, bei dem die Zylinderwand (1) mittels einer konfokalen Kamera inspiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwand (1) nach einer mechanischen Bearbeitung der Zylinderwand (1) untersucht wird, wobei bei der mechanischen Bearbeitung mittels eines Schneidwerkzeugs regelmäßige Hinterschneidungen in die Zylinderwand (1) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßigen Hinterschneidungen eingebracht werden, indem eine schraubenförmige Rille (3) in die Zylinderwand (1) geschnitten und zwischen benachbarten Windungen (3.1 bis 3.n) der Rille (3) befindliche Stege (4.1 bis 4.n – 1) der Zylinderwand (1) durch plastische Verformung zumindest teilweise in die benachbarten Windungen (3.1 bis 3.n) hinein gedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Oberflächenqualität ein Achsabstand eines Profilgrundes der Rille (3) zu einer Längsachse des Zylinders bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Oberflächenqualität eine Tiefe der Rille (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den benachbarten Windungen (3.1 bis 3.n) der Rille (3) befindlichen Stege (4.1 bis 4.n – 1) der Zylinderwand (1) durch Eindrücken V-förmig verformt werden, wobei zur Bestimmung der Oberflächenqualität eine Tiefe der V-Form bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Symmetrie der V-Form bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine lichte Weite der Rille (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidungen mittels Druckluft oder einer Flüssigkeit gespült werden, bevor die Untersuchung mittels der Kamera durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand des Schneidwerkzeugs vor und nach der mechanischen Bearbeitung untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung des Zustands des Schneidwerkzeugs mittels eines Laserprofilometers durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung des Zustands des Schneidwerkzeugs mittels eines Mikroskops durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei ausgewählte Bereiche (2.1 bis 2.4) der Zylinderwand (1) mit der Kamera untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die drei ausgewählten Bereiche (2.1 bis 2.4) voneinander bezüglich einer Längsachse des Zylinders axial und angular beabstandet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die drei ausgewählten Bereiche (2.1 bis 2.4) voneinander um jeweils 120° beabstandet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vier zu untersuchende Bereiche (2.1 bis 2.4) ausgewählt werden.