DE102009030451A1

DE102009030451A1 - Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche sowie Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102009030451A1
Application number: DE200910030451
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Gasthuber; Holger Dipl.-Ing. Mai (Fh); Alexandra Dipl.-Ing. Mathes (Fh); Silvia Dr. Tomaschko
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche (80) eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Werkzeug (10), insbesondere ein Läpphonwerkzeug (10), beim Bearbeiten der Oberfläche (80) um eine zur Oberfläche (80) im Wesentlichen parallel verlaufenden Rotationsachse des Werkzeugs (10) rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (80) translatorisch bewegt wird, wobei das Werkzeug (10) in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche (80) verlaufenden Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.
Die DE 10 2007 018 653 A1 offenbart ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine mit einem Honschritt zur Oberflächenbearbeitung und mit einem nachfolgenden Belichtungsschritt, bei welchem die Zylinderlaufbahn laserbelichtet wird, wobei in einem zusätzlichen Prüfschritt Honparameter erfasst werden und daraus eine Honqualität bestimmt wird.
Die DE 196 27 926 A1 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetalllegierungen hergestellten Zylinderlaufflächen mit eingelagerten körnigen oder fasrigen Hartstoffphasen, wobei zum Freilegen der Hartstoffphasen durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix die Zylinderlauffläche gehont wird und das hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird, dessen Schneidstoff in einer nachgiebigen Matrix eingelagert ist, dass die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffphasen gedrückt werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffphasen bewirken können.
Aus der US 2007 01 35 023 A1 ist ein mechanisches System zum Läppen einer metallischen Oberfläche bekannt, welches ein Läppwerkzeug umfasst, dessen Kontaktoberfläche aus einem Polymer gebildet ist und welches abrasive Partikel umfasst, welche zwischen der Kontaktoberfläche des Läppwerkzeug und der metallischen Oberfläche vorgesehen sind.
Die bekannten Lösungen weisen alle samt den Nachteil auf, dass eine Verrundung von Poren, insbesondere von Rändern der Poren, der zu bearbeitenden Oberfläche nur unzureichend realisierbar ist. Bekannter Maßen weisen Oberflächen, insbesondere Zylinderlaufflächen, welche beispielsweise aus Gusseisen oder durch eine thermische Spritzbeschichtung gebildet sind, eine Struktur aus stochastisch verteilten, feinen Poren auf, welche sich im Falle eines Notlaufs, bei Schmierölmangel oder bei extremer Belastung tribologisch günstig auswirken, da sie eine Art Trockenschmierungs-Reserve in Form eines Not-Reservoirs für Schmieröl darstellen. Sie verhindern auf diese Art und Weise einen Anstieg einer Reibleistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer derartigen Oberfläche in Form einer Zylinderlauffläche oder gar ein Fressen eines Kolbens der Verbrennungskraftmaschine.
Bei bekannten Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche wird die Oberfläche, insbesondere eine Zylinderlauffläche, mit einem komplexen Muster von durch Verfahrensparameter vorgegebenen Honriefen definierter Tiefe und Anordnung versehen, in denen das Schmieröl zurückgehalten werden kann. Auf Grund von hohen Kräften dieser Verfahren wird eine erhebliche Energie umgesetzt, wodurch die Poren durch plastische Verformung der die Poren umgebenden Ränder in Richtung einer Werkzeugbewegung quasi zugeschmiert werden, wodurch ein unerwünschter, so genannter Blechmantel entsteht, welcher die Poren und teilweise die Honriefen zudeckt. Durch einen in einem Betrieb entstehenden Verschleiß wird von einer Dicke dieser Blechmäntel immer mehr abgetragen, bis sich verbleibende kleine Blechlamellen aus kompaktem Metallsubstrat lösen und in einen Schmierölkreislauf beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine mit einer genannten Zylinderlauffläche gelangen, wo sie erhebliche Schäden an Bauteilen anrichten können.
Auch bei dem aus der US 2007 0 135 023 A1 bekannten Verfahren ist die Verrundung der Poren nicht konzentrisch zu diesen bzw. deren Mitten sondern weist eine Vorzugsrichtung gemäß einer Relativbewegung des eingesetzten Werkzeugs zu der zu bearbeitenden Oberfläche auf. Diese nicht konzentrische Verrundung der Poren wirkt sich negativ auf ein Reibungs- und Verschleißverhalten eines tribologischen Systems beispielsweise aus einer Zylinderlauffläche und einem Kolbenring bzw. Kolben aus.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche sowie ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche bereit zu stellen, welche eine Realisierung verbesserter tribologischer Eigenschaften der Oberfläche erlauben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, sowie durch ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Ein solches Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Verbrennungsmaschine, bei welchem ein Werkzeug, insbesondere ein Läpphonwerkzeug, beim Bearbeiten der Oberfläche um eine zur Oberfläche im Wesentlichen parallel verlaufende Rotationsachse des Werkzeugs rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche translatorisch bewegt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Werkzeug in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche verlaufenden Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt wird.
Im Gegensatz zu Bearbeitungsverfahren mit definierter Schneide oder gebundenem Korn, also Schleifmittel, wie beispielsweise Drehen, Schleifen, Honen, Fräsen oder dergleichen, bei welchen stets scharfkantige Ränder von Poren der bearbeiteten Oberfläche zurückbleiben, ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren zum einen möglich, die Ränder der Poren selektiv und sehr sanft zu verrunden, was in einer selektiven Entfernung und Reduzierung von eingangs beschriebenen Blechmäntel und deren Anteil an der gesamte Oberfläche ergibt.
Zum anderen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Verrundung der Ränder der Poren konzentrisch zu einer Porenmitte, was eine weitere Verbesserung von tribologischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche mit sich bringt. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren bearbeitete Oberfläche weist somit nicht nur Poren auf, welche nicht durch Blechmäntel zugeschmiert sind und somit weiterhin als Reservoir für Schmieröl fungieren können, sondern die Ränder der Poren sind ebenso konzentrisch zur Porenmitte verrundet zur Reduzierung einer Oberflächenrauhigkeit und zur weiteren Verbesserung von Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Oberfläche.
Die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche, kommen insbesondere in Zusammenhang mit einer Zylinderlaufbahn, welche auch als Zylinderlauffläche zu bezeichnen ist, einer Verbrennungskraftmaschine zum Tragen, da in diesem Falle eine Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine und damit ein Kraftstoffverbrauch sowie CO₂-Emmisionen derselbigen deutlich reduzierbar sind bei gleichzeitiger Beibehaltung von Notlaufeigenschaften im Falle eines Schmiermittelmangels. Ein derartiges Schmiermittel kann dabei in Form von Schmieröl vorliegen.
Zur Realisierung dieser vorteilhaften tribologischen Eigenschaften wird also das Werkzeug über alle Winkel zumindest im Wesentlichen gleichmäßig lange linear bewegt, wobei bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, dass das Werkzeug kontinuierlich rotatorisch bewegt wird. Dies erlaubt ein definitionsgemäßes Abrollen eines abrasiven Bearbeitungsmittels, insbesondere eines Hartstoff-Abrasiv-Korngemenges, welches zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und dem Werkzeug vorgesehen wird. Durch das Vorsehen dieses abrasiven Bearbeitungsmittels, welches also an Stelle eines gebundenen Korns oder einer definierten Schneide eine abrasive Arbeit leistet, ist eine besonderes sanfte Verrundung der Ränder der Poren ermöglicht, da sich das Bearbeitungsmittel zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche abwälzen kann. Als abrasives Bearbeitungsmittel ist beispielsweise Al₂O₃ oder SiC oder dergleichen einsetzbar.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein Werkzeug mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsteil, insbesondere einem Läppwerkzeugteil eingesetzt, welches im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist. Dies erlaubt eine Realisierung besonders günstiger tribologischer Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche, da weit weniger Riefen erzeugt werden als bei üblichen Freikorn-Schleifverfahren.
Die im Wesentlichen gleichmäßig lange lineare Bewegung über alle Winkel des Werkzeugs, beispielsweise über einen Winkel von 45°, wobei übliche Honwinkel zwischen 15° und 30° zu einer Kolbenrichtung liegen, ist dadurch zu realisieren, dass eine Geschwindigkeit einer oszillierenden, insbesondere der translatorischen Bewegung des Werkzeugs identisch ist mit der rotatorischen. Dadurch, dass die rotatorische Bewegung beispielsweise eine kontinuierliche Bewegung ist und die translatorische Bewegung eine translatorisch alternierende und damit eine reversierende Bewegung ist, werden weite Winkel um 45° erfindungsgemäß bearbeitet.
Durch die kontinuierliche rotatorische Bewegung ist eine mitunter mehrmaliger Änderung einer Drehrichtung des Werkzeugs während des Verfahrens, welches als Läppverfahren bzw. Läpphonverfahren bezeichnet werden kann, vermieden, was eine sehr günstige Bearbeitung eines tangential hinter dem durch die rotatorische Bewegung des Werkzeugs vorwärts geschobenen und dabei frontal zur rotatorischen Bewegung abtragend und Kanten bzw. Ränder vierrundend wirkenden Bearbeitungsmittel, welches auch als Läppkorn bezeichnet werden kann, liegenden Einwirkungsbereichs und damit eine ebenso intensive Verrundung der Ränder der Poren in besonders günstiger Art und Weise ermöglicht, was mit einer Realisierung von besonders guten tribologischen Eigenschaften der Oberfläche einher geht.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass prinzipiell eine rotatorisch oszillierende Bewegung mit Richtungsumkehr des Werkzeugs auch möglich ist. Das Verfahren kann dabei als Läpphonverfahren bezeichnet werden, da es auf einer bekannten Bewegung einer translatorischen und einer rotatorischen Bewegung, insbesondere einer Honbewegung, des Werkzeugs basiert, wobei das Werkzeug idealer Weise eine kontinuierliche rotatorische Bewegung vollführt zur Erreichung der in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorteile.
Zur optimalen Verrundung der Poren bzw. deren Ränder in allen Richtungen ist zudem eine Variation eines Verhältnisses aus Drehzahl und Hubfrequenz sowie einer Rotationsrichtung des Werkzeugs möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Zusammenhang einer jedweden Oberfläche zur Verbesserung ihrer tribologischen Eigenschaften einsetzbar. So können beispielsweise Gussteile wie Gusseisen-Büchsen von Zylinderkurbelgehäusen, sowie auch andere metallische Bauteile als auch thermische Spritzbeschichtungen, insbesondere von Zylinderlaufflächen, bearbeitet werden. Bei einer solchen thermischen Spritzbeschichtung handelt es sich beispielsweise um eine mittels eines Lichtbogendrahtspritzverfahrens ausgebildete Beschichtung, also eine so genannte LDS-Oberfläche. Aber auch anderweitige Oberflächen, welche auf Grund ihrer Entstehungsgeschichte eine mikro- bis makroskopische Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie aufweisen, wie beispielsweise eine Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses, welches aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung gebildet ist, können ebenso bearbeitet werden wie Oberflächen mit einer galvanischen Beschichtung, mit einer PVD-Beschichtung (Physical-Vapour-Deposition), mit einer CVD-Beschichtung (Chemical-Vapour-Deposition) oder mit einer ähnlichen Beschichtung.
Im Falle einer Zylinderlauffläche kann dabei vorgesehen sein, dass beispielsweise ein die Zylinderlauffläche bildendes Zylinderkurbelgehäuse bzw. eine Beschichtung des Zylinderkurbelgehäuses bzw. die Zylinderlauffläche direkt bearbeitet wird oder aber, dass eine Büchse bearbeitet wird, die in ein Zylinderkurbelgehäuse einsetzbar ist. Derartige Büchsen können dabei aus einem Pulver- oder schmelzmetallurgischen Werkstoff, beispielsweise auf Basis von Aluminium-Legierungen, gebildet sein.
Darüber hinaus ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, eine Oberfläche, welche eine eindeutige geometrische Vorzugsrichtung aufweist, zu bearbeiten, wodurch die eindeutige geometrische Vorzugsrichtung entfernt wird und die oben beschriebene konzentrische Verrundung der Ränder der Poren sowie die Realisierung der vorteilhaften tribologischen Eigenschaften erreicht werden.
Neben der Entfernung der eindeutigen geometrischen Vorzugsrichtung ist auch eine Entfernung von die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche negativ beeinflussenden Blechmänteln möglich sowie eine Entfernung ebenfalls ungewünschter Deckelgrate an beispielsweise mit diskretem Graphit gefüllten oder anderweitigen Poren beispielsweise bei Wellen-Oberflächen, welche aus Stahl oder aus einem Eisen-Werkstoff gebildet sind.
Nichts desto weniger sind auch Oberflächen solcher Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitbar, welche ein heterogenes oder ein monolithisches Gefüge aus einem Aluminium-Mischkristall mit eingebetteten Silizium-Partikeln, intermetallischen Phasen wie Al₂Cu, Mg₂Si oder dergleichen sowie Oxiden aufweisen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderfläche einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem zur Bearbeitung der Oberfläche bereitgestellten Oberflächenbearbeitungsteil, insbesondere einem Läppwerkzeugteil, wobei das Bearbeitungswerkzeug ein erstes, zumindest mit einem Oberflächenbearbeitungsteil korrespondierendes Werkzeugteil umfasst, welches über eine erste Welle rotatorisch antreibbar ist, und wobei das Bearbeitungswerkzeug wenigstens ein weiteres, mit zumindest einem weiteren Oberflächenbearbeitungsteil korrespondierendes Werkzeugteil umfasst, welches vom ersten Werkzeugteil über eine Anlenkeinrichtung zur Richtung des ersten Werkzeugs gegenläufig rotatorisch antreibbar ist. Durch das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeug ist das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar, wodurch alle in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorteile realisierbar sind.
Die gegenläufige, kontinuierliche rotatorische Bewegbarkeit des Bearbeitungswerkzeugs erlaubt dabei die beschriebene Verrundung der Ränder der Poren auf sanfte Art und Weise ohne, dass eine Änderung einer Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeugs während des Verfahrens nötig ist, was ein definitionsgemäßes Abrollen des Bearbeitungsmittels und damit eine konzentrische Verrundung der Ränder der Poren erlaubt zur Herbeiführung der besonders vorteilhaften und bereits beschriebenen tribologischen Eigenschaften der Oberfläche.
Das Bearbeitungswerkzeug, welches auch als Honwerkzeug oder als Läpphonwerkzeug zu bezeichnen ist, erlaubt es also, zumindest eine sich relativ zur zu bearbeitenden Oberfläche bewegende abrasive Wirkfläche des zumindest einen Oberflächenbearbeitungsteils in allen in einer Wirkebene liegenden polaren Koordinaten mit einem im Wesentlichen gleichen Verschleiß-Weglängen-Verhältnis zu bewegen.
Vorteilhafter Weise ist das zumindest eine Oberflächenbearbeitungsteil im Wesentlich aus einem Polymer gebildet, was eine besonders sanfte Verrundung der Ränder der Poren sowie eine konzentrische Verrundung und damit eine Vermeidung einer Zuschmierung der Poren durch Blechmäntel erlaubt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bearbeitungswerkzeugs und umgekehrt anzusehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeug ist zur sanften Verrundung der Ränder der Poren lediglich eine geringe Andruck-Kraft bzw. ein geringer Andruck-Druck im Bereich von 1 bar bis 5 bar von Nöten.
Eine durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeug abgearbeitete Materialtiefe beträgt idealer Weise mindestens 0,1 bis maximal 5 Mikrometer.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeug ein Bearbeitungsverfahren zur finalen Bearbeitung einer Oberfläche in Form eines Freikorn- bzw. Läpphonverfahren geschaffen ist, bei dem idealer Weise ein Oberflächenbearbeitungsteil eingesetzt wird, welches im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist, wobei eine abrasive Wirkung vorteilhafter Weise aus einem zwischen der Oberfläche und dem Werkzeug eingebrachten Hartstoff-Abrasivkorn-Gemenge definierter Partikelgröße und Materialbeschaffenheit erreicht ist. Die beschriebenen, besonders guten tribologischen Eigenschaften der Oberfläche sind derart realisierbar, dass das Verfahren sowie das Bearbeitungswerkzeug keine Vorzugsrichtung der Verrundung der Poren bzw. der Ränder, deren Kanten und Inhomogenitäten der zu bearbeiteten Oberfläche zulässt. Stattdessen werden die tribologisch erwünschten mikro- bis makroskopische Poren in idealer Weise an allen ihren Rändern, welche bei herkömmlichen Hon-, Schleif-, Läpp- oder allgemein spanenden Bearbeitungsverfahren grundsätzlich und systembedingt scharfkantig ausfallen und daher speziell für Mikrohydrodynamik nachteilig sind, gleichmäßig und polydirektional in einer aus tribologischer Sicht idealen Art und Weise, insbesondere konzentrisch, verrundet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Längsschnittansicht sowie abschnittsweise eine Querschnittsansicht eines Bearbeitungswerkzeugs zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils,
2 eine Gegenüberstellung zweier topographischer Auswertungen einer Oberfläche eines Bauteils, einerseits in einem Ausgangszustand, andererseits nach einer Bearbeitung der Oberfläche und
3 vier Verläufe einer Reibleistungsdifferenz einer Kolbengruppe einer Verbrennungskraftmaschine über einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, wobei jedem Verlauf eine alternative Motoröl-Betriebstempeatur der Kolbengruppe zugeordnet ist.
Während die 1 ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten eines Bauteils zeigt, mittels welchem besonders günstige tribologische Eigenschaften der Oberfläche realisierbar sind, zeigen die 2 und 3 Ergebnisse einer Bearbeitung einer derartigen Oberfläche, wobei die Oberfläche durch ein Verfahren bearbeitet ist, welches eine konzentrische Verrundung von Rändern von Poren der Oberfläche erlaubt und bei welchem ein Bearbeitungswerkzeug gemäß 1 einsetzbar ist.
Die 1 zeigt ein Bearbeitungswerkzeug 10 zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlauffläche einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Bearbeitungswerkzeug 10 ein erstes Werkzeugteil 12 und ein zweites Werkzeugteil 14 umfasst. Das erste Werkzeugteil 12 und das zweite Werkzeugteil 14 drehen sich unter Vermittlung eines in einem Inneren des Bearbeitungswerkzeugs 10 angebrachten Differential-Getriebes 16, welches Kegelräder 18, 20 und 22 umfasst. Die Kegelräder 18, 20 und 22 sind dabei entsprechend während eines Einsatzes des Bearbeitungswerkzeugs 10 im Rahmen eines Verfahrens zum Bearbeiten der Oberfläche auftretender Kräfte ausgelegt. Die Drehung der Werkzeugteile 12 und 14 erfolgt dabei eigenständig entsprechend ihrer zwangsweißen Kinematik mit identischer Umfangsgeschwindigkeit, aber gegensinnig zueinander und mit dadurch jeweils identischer Relativgeschwindigkeit zur zu bearbeitenden Oberfläche bzw. Zylinderlauffläche beispielsweise in Form einer Bohrung eines Kurbelgehäuses.
Zum Antreiben des Bearbeitungswerkzeugs 10 ist eine innere Welle 24 vorgesehen, welche von einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine mit einer entsprechenden Drehzahlleistung antreibbar ist und welche wiederum das zweite Werkzeugteil 14 über eine form- oder kraftschlüssige Verbindung antreibt. Zur gegensinnigen Bewegungen des ersten Werkzeugteils 12 gegenüber dem angetriebenen, zweiten Werkzeugteil 14 ist eine äußere Welle 26 durch eine entsprechende Vorrichtung, beispielsweise der Bearbeitungsmaschine, an einem Mitdrehen zu hindern, wodurch sie sich nicht relativ zur zu bearbeitenden Oberfläche drehen kann oder möglicherweise nur unter gewissen, für das Verfahren günstige Umständen mit einer geringen Geschwindigkeit gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils. Die äußere Welle 26 trägt dabei auf einem rechtwinklig zu ihrer axialen Erstreckungsrichtung angeordneten Zapfen 28 das Kegelrad 20.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass auf Grund einer Symmetrie des Bearbeitungswerkzeugs 10 bzgl. einer Achse 30 lediglich eine linke Seite in der 1 beschrieben ist. Für die rechte Seite gilt das zu der linken Seite Gesagte analog.
Da das Kegelrad 22 des Differential-Getriebes 16 starr mit dem von der Welle 24 angetriebenen Werkzeugteil 14 verbunden ist, treibt das auf dem Zapfen 28 der stationären Welle 26 drehbar gelagerte Kegelrad 20 das starr mit dem Werkzeugteil 12 verbundene Kegelrad 18 an, und somit das Werkzeugteil 12 in einem gegenläufigen Drehsinn zum Werkzeugteil 14, aber mit einer gleichen relativ zur statischen Welle 26 Rotationsgeschwindigkeit.
Eine derartig funktionierende Kinematik ist auch durch eine jeweils andere Anordnung der koaxialen Wellen 24 und 26 und der treibenden bzw. getriebenen Kegelräder 18, 20 und 22 des Differential-Getriebes 16 realisierbar.
Das Bearbeitungswerkzeug 10 ist dabei so konzipiert, dass es in herkömmliche vertikal- oder horizontal- Bohrmaschinen oder gar Ständerbohrmaschinen oder dergleichen einbaubar bzw. mit diesen koppelbar ist. Den Werkzeugteilen 12 und 14 sind jeweils Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 zugeordnet, die über Grundplatten 36 bzw. 38 mit dem jeweiligen Werkzeugteil 12 bzw. 14 verbunden sind.
Eine radiale Anpresskraft der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche bedarf anders als bei bekannten Werkzeugen keiner hydraulischen oder mechanischen Unterstützung, sondern ist durch entsprechend ausgelegte Federelemente in Form von Tellerfeder-Stapeln 40, 42, 44 und 46 realisiert, wodurch eine hohe Homogenität von auf die zu bearbeitende Oberfläche ausgeübter Kräfte ermöglicht ist.
Eine Lagerung der Werkzeugteile 12 und 14 ist durch gegenüber einem zwischen dem Bearbeitungsteil 10 und der zu bearbeitenden Oberfläche eingebrachten Bearbeitungsmittel in Form von einem Abrasivmediums und peripherer Flüssigkeiten oder Verschmutzung gekapselte Wälzlager 47 und 48 dargestellt. Deren Ausgestaltung hat dergestalt zu erfolgen, dass sie zu erwartenden Kräften und Anforderungen zu widerstehen im Stande sind.
Auf einem Umfang der Werkzeugteile 12 und 14 sind dabei idealer Weise von 3 bis 9 der eigentlichen und gemeinsam mit dem Bearbeitungsmittel eine Abrasivarbeit leistenden Oberflächenbearbeitungsteile 32 bzw. 34 angeordnet, deren äußere Geometrie der zu bearbeitenden Oberfläche bzw. der zu bearbeitenden Bohrung angepasst ist. Wie bereits angedeutet, sind die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 mit den Grundplatten 36 bzw. 38 durch Kleben, Klemmen oder anderweitig verbunden.
Zudem sind zylindrische Passstifte 50, 52, 54 und 56 vorgesehen, die mit der entsprechenden Grundplatte 36 bzw. 38 verbunden sind und die sich in entsprechenden radialen Bohrungen der Werkzeugteile 12 bzw. 14 in radialer Richtung der Werkzeugteile 12 bzw. 14 bewegen können. Dies erlaubt quasi eine automatische Einstellung und Ausrichtung der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 in Zusammenhang mit einer Federkraft der Tellerfeder-Stapel 40, 42, 44 und 46 und des zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 10 und der Oberfläche eingebrachten Bearbeitungsmittels sowie eine eingeschränkte axiale Beweglichkeit als auch eine Mitnahme der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 zur Erzeugung einer jeweils rotierenden Bewegung gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche.
Ein weiteres Kriterium für einen Abtrag der Oberfläche, welches mit einem freien Korn bearbeitet wird, ist eine Menge von unmittelbar im Eingriff befindlicher Abrasivkörner des Bearbeitungsmittels, die sich in Bearbeitungsrichtung bewegen. Bei herkömmlichen, mit Keramik- oder Kunststoff gebundenen Honleisten arbeitenden Honwerkzeugen haben die 3 bis 6 an einem Werkzeugumfang verteilten Schleifmittel eine tangentiale Tiefe von typischerweise um die 10 mm bei einer Leistenlängen in axialer Richtung von 80 mm bis 150 mm, abhängig von einer Geometrie von zu bearbeitenden Zylinderlaufflächen bzw. Bohrungen. Das bedeutet, dass in Umfangsrichtung 8 bis 15 mal mehr Abrasivkörner wirken, als in axialer Richtung, auch wenn Werkzeugwege in beiden Richtungen identisch wären, mit entsprechenden Auswirkungen auf eine Ausprägung eines Honspuren-Netzwerks. Dies erfordert, dass auch Flächen- bzw. Längenverhältnisse von auf die Abrasivkörner wirkenden Werkzeug-Segmente, wie eben die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34, in etwa gleich sind.
Da die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet sind, ist ein radialer Druck wesentlich geringer als bei einem klassischen Honprozess, was eine Vermeidung bzw. eine Entfernung von eingangs beschriebenen Blechmänteln erlaubt. Daher ist es jedoch erforderlich, dass korrespondierende Werkzeugflächen, also Flächen der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34, deutlich größer ausgebildet sind, als bei einem Honen mit Honsteinen, wenn eine Bearbeitungszeit durch das Bearbeitungswerkzeug der des klassischen Honprozesses gleich kommen soll, was durch das Bearbeitungswerkzeug 10 ermöglicht ist.
Die 2 zeigt eine Gegenüberstellung einer topographischen Auswertung einer Oberfläche 80 eines Bauteils gemäß Darstellung A in einem Ausgangszustand und gemäß Darstellung B nach einer Bearbeitung der Oberfläche 80 durch ein Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche 80, bei welchem ein Werkzeug beim Bearbeiten der Oberfläche 80 um eine zur Oberfläche 80 im Wesentlichen parallel verlaufende Rotationsachse des Werkzeugs rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 80 translatorisch bewegt wird, wobei das Werkzeug in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche 80 verlaufenden Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt wird. Bei diesem Verfahren ist auch ein Bearbeitungswerkzeug 10 gemäß 1 einsetzbar. Das beschriebene Verfahren im Zusammenhang mit dem Bearbeitungswerkzeug 10 erlaubt dabei eine sanfte und konzentrische Verrundung von Rändern von Poren 70 der Oberfläche 80, was zu einer besonders niedrigen Oberflächenrauhigkeit sowie zu besonders vorteilhaften tribologischen Eigenschaften der Oberfläche 80 führt.
Das genannte Verfahren erlaubt ein Öffnen von Deckelgraten und eine geringere Kontamination von Schmieröl durch eine geringere Flitterbildung, als auch eine Verrundung der Ränder der Poren 70 in allen Richtungen. Besonders in Zusammenhang mit einer Zylinderlauffläche und mit einem tribologischen System aus der Zylinderlauffläche, einem Kolben und einen Kolbenring geht dies einher mit einer verbesserten Hydrodynamik an dem Kolbenring und mit einem geringeren Ringverschleiß.
Durch das Verfahren ist es ebenso ermöglicht, eine Verrundung der Ränder der Poren 70 in Form eines kometenartigen Schweifs zu vermeiden und vielmehr einen umlaufenden, koronarartigen Schweif auszubilden, was in einer deutlichen Verbesserung von tribologischen Eigenschaften der Oberfläche resultiert. So nimmt ein Spitzenanteil ab, während ein Täleranteil steigt. Ebenso ist eine Grundrauheit der Oberfläche 80 reduziert. Dies resultiert auch in einer Reduzierung einer Reibleistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen tribologischen System.
Der Aspekt der verminderten Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine mit einem oben beschriebenen tribologischen System aus Zylinderlauffläche, Kolben und Kolbenring ist durch die 3 verdeutlicht. Auf einer Ordinate 102 eines Diagramms 100 der 3 ist eine Reibleistungsdifferenz in Watt in einem Bereich von –450 Watt bis 350 Watt aufgetragen, während auf einer Abszisse 104 des Diagramms 100 ein Drehzahl in einem Bereich von 0 bis 6000 Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist.
Die in der 3 dargestellten Messergebnisse wurden an einem Vollmotorprüfstand durchgeführt, wobei ein herkömmliches Honverfahren gemäß einem Verlauf 106 als Basis dient. Im Vergleich dazu zeigt ein Verlauf 108 den Verlauf der Reibdifferenz im Vergleich zum Verlauf 106. Die Messungen wurden bei 3 verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Wie zu sehen ist, nimmt bei steigender Drehzahl die Reibleistungsdifferenz zu. Dies ist die Differenz gegenüber dem klassisch gehonten Referenzaggregat. Die Zylinderlauffläche des tribologischen Systems wurde dabei mit Schmierstoff bei einer Temperatur von 90°C benetzt. Wie zu sehen ist, sinkt somit die Reibleistung des auf diese Art und Weise bearbeitenden tribologischen System.
Gleiches gilt auch für einen Verlauf 110, welcher den Verlauf eines tribologischen Systems repräsentiert, bei welchem die Zylinderlauffläche bei einer Temperatur von 110°C mit Schmierstoff benetzt wurde.
Ein Verlauf 112 stellt den Verlauf der Reibleistungsdifferenz für ein tribologisches System dar, bei welchem die Zylinderlauffläche bei einer Temperatur von 50°C mit Schmierstoff benetzt wurde.
Wie der 3 deutlich zu entnehmen ist, ist durch das beschriebene Verfahren die Reibleistung des tribologischen Systems deutlich absenkbar, was mit einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit mit reduzierten CO₂-Emmisionen der Verbrennungskraftmaschine mit einem derartigen tribologischen System einher geht.

10: Bearbeitungswerkzeug
12: Werkzeugteil
14: Werkzeugteil
16: Differential-Getriebe
18: Kegelrad
20: Kegelrad
22: Kegelrad
24: innere Welle
26: äußere Welle
28: Zapfen
30: Achse
32: Oberflächenbearbeitungsteil
34: Oberflächenbearbeitungsteil
36: Grundplatte
38: Grundplatte
40: Tellerfeder-Stapel
42: Tellerfeder-Stapel
44: Tellerfeder-Stapel
46: Tellerfeder-Stapel
47: Wälzlager
48: Wälzlager
50: Passstift
52: Passstift
54: Passstift
56: Passstift
70: Poren
80: Oberfläche
100: Diagramm
102: Ordinate
104: Abszisse
106: Verlauf
108: Verlauf
110: Verlauf
112: Verlauf
A: Darstellung
B: Darstellung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007018653 A1 [0002]
- DE 19627926 A1 [0003]
- US 20070135023 A1 [0004, 0007]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche (80) eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Werkzeug (10), insbesondere ein Läpphonwerkzeug (10), beim Bearbeiten der Oberfläche (80) um eine zur Oberfläche (80) im Wesentlichen parallel verlaufenden Rotationsachse des Werkzeugs (10) rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (80) translatorisch bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche (80) verlaufenden Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) kontinuierlich rotatorisch bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) zumindest zwei Werkzeugteile (12, 24) aufweist, welche gegenläufige, rotatorische Bewegungen durchführen und mittels welchen die Oberfläche (80) bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die translatorische Bewegung oszillierend, insbesondere mit zumindest einer Richtungsumkehr, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die translatorische und die rotatorische Bewegung im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche (80) eines Bauteils, bei welchem ein Werkzeug beim Bearbeiten der Oberfläche (80) in zumindest zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen bewegt wird, wobei das Werkzeug in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche (80) verlaufenden Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen des Werkzeugs oszillierenden, insbesondere mit zumindest einer Richtungsumkehr, durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche (80) und dem Werkzeug (10) ein abrasives Bearbeitungsmittel, insbesondere ein Hartstoff-Abrasiv-Korngemenge, vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasives Bearbeitungsmittel ein in einer öligen Paste dispergiertes Abrasivkorn, insbesondere ein Aluminiumoxid und/oder ein Siliziumcarbid, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug (10) mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34), insbesondere einem Läppwerkzeugteil (32, 34), eingesetzt wird, welches im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) zum Bearbeiten einer Oberfläche (80) eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlauffläche einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem zur Bearbeitung der Oberfläche (80) bereitgestellten Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34), insbesondere einem Läppwerkzeugteil (32, 34), wobei das Bearbeitungswerkzeug (10) ein erstes, zumindest mit einem Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) korrespondierendes Werkzeugteil (12, 14) umfasst, welches über eine erste Welle (24, 26) rotatorisch antreibbar ist, und wobei das Bearbeitungswerkzeug (10) wenigstens ein weiteres, mit zumindest einem weiteren Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) korrespondierendes Werkzeugteil umfasst (12, 14), welches vom ersten Werkzeugteil (12, 14) über eine Anlenkeinrichtung (16) zur Richtung des ersten Werkzeugteils (12, 14) gegenläufig rotatorisch antreibbar ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkeinrichtung (16) ein Differentialgetriebe (16) umfasst.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkeinrichtung (16) eine weitere, insbesondere drehfeste, Welle (24, 26) umfasst, welche koaxial zur ersten Welle (24, 26) angeordnet ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach Anspruch 12 und 13; dadurch gekennzeichnet, dass durch die weitere Welle (24, 26) ein Kegelrad (18, 20, 22) des Differentialgetriebes (16) gelagert ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Werkzeugteile (12, 14) über ihren Umfang jeweils zumindest ein Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34), insbesondere ein Läppwerkzeugteil (32, 34), aufweisen, welches mit dem jeweiligen korrespondierenden Werkzeugteil (12, 14) verbunden ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) über eine korrespondierende Grundplatte (36, 38) mit dem korrespondierenden Werkzeugteil (12, 14) verbunden ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) eines korrespondierenden Werkzeugteils (12, 14) von einer in radialer Richtung der ersten Welle (24, 26) wirkenden Federkraft zumindest eines Federelements (40, 42, 44, 46) beaufschlagt ist.
Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Federelement (40, 42, 44, 46) einerseits an dem entsprechenden Oberflächenbearbeitungsteil (32, 34) und andererseits an dem korrespondierenden Werkzeugteil (12, 14) abgestützt ist.
Bearbeitungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erstreckungslänge des Oberflächenbearbeitungsteils (32, 34) in Umfangsrichtung im Wesentlichen der Erstreckungslänge des Oberflächenbearbeitungsteils (32, 34) in axialer Richtung der ersten Welle (24, 26) entspricht.