DE102010048741B4 - Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche eines Zylinders aus Graugusswerkstoff - Google Patents

Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche eines Zylinders aus Graugusswerkstoff Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche (2) eines Zylinders aus Graugusswerkstoff, wobei die Zylinder-Lauffläche (2) mit einem Honprozess und anschließender Laserbelichtung bearbeitet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermographie-Kamera (9) mit einem gekühlten Detektor (10) auf eine Prüfstelle (6) der Zylinder-Lauffläche (2) gerichtet wird, dass der Detektor (10) auf eine konstante Detektor-Temperatur (TD) unter eine konstante Zylinder-Laufflächen-Temperatur (TZ) gekühlt wird und die konstante niedrige Detektor-Temperatur (TD) als Nullpunkt-Temperatur bei der Thermographie genutzt wird, und dass mittels der Thermographie-Kamera die Emission und Reflexion der Zylinder-Lauffläche (2) an der Prüfstelle (6) über die Messtemperatur (TM) detektiert wird und der Grad der Graphit-Offenlegung aus der mittleren Messtemperatur (TM) entsprechend der Reflexionsintensität abgeleitet wird, wobei genutzt wird, dass Graphit ein schlechter Wärmeleiter mit hohem Emissionsgrad und niedrigem Reflexionsgrad und Eisen ein guter Wärmeleiter mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad ist, so dass eine höhere Messtemperatur (TM) einer größeren...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche eines Zylinders aus Graugusswerkstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Zylinder-Laufflächen eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine wird in allgemein bekannter Weise durch Honen bearbeitet. Hierbei führt das Honwerkzeug eine rotatorische sowie translatorische Bewegung aus. Durch diese sich überlagernden Werkzeugbewegungen entsteht auf der Zylinderlaufbahn eine Kreuzriefenstruktur. Dadurch werden Graphit-Offenlegungen des Graugusswerkstoffs, welche zur Laufbahnfläche offene Poren bilden können zum Großteil verschlossen und zugeschmiert und bilden an der Oberfläche der Zylinder-Lauffläche einen sog. „Blechmantel” von wenigen Micrometern Blechmanteldicke.
  • An Stellen der Graphit-Offenlegung und den dort gebildeten Poren wird die Ölhaltefähigkeit der Zylinder-Lauffläche in Brennkraftmaschinen-Betrieb gesteigert, wodurch die Zylinder-Lauffläche eine Microhydrodynamik-Oberflächenstruktur erhält. Diese guten tribologischen Eigenschaften an der Zylinder-Lauffläche durch eine offene Struktur der Graphitausscheidungen werden somit durch den Honbearbeitungsvorgang und die Bildung des Blechmantels beeinträchtigt.
  • Es ist daher bekannt ( DE 39 22 377 C2 ; DE 42 17 530 C2 ), eine Zylinder-Lauffläche nach dem Honbearbeitungsvorgang in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer Laserstrahlung zu belichten und für eine ausreichende Graphit-Offenlegung die Graphit-Lamellen für gute tribologische Eigenschaften der Zylinder-Lauffläche durch Aufschmelzen des Blechmantels wieder freizulegen.
  • Prozessbedingt kann der Laser während des Belichtungsvorgangs nur eine Blechmanteldicke von ca. 2 μm zur Freilegung der Graphit-Lamellen aufschmelzen bzw. verdampfen. Es ist daher bereits ein Verfahren bekannt ( DE 10 2007 018 653 B4 ), nach dem Honbearbeitungsvorgang mittels eines Thermographieverfahrens die Blechmanteldicke zu messen. Wenn eine Blechmanteldicke über einem vorgegebenen Grenzwert liegt, welcher durch einen Laser nicht mehr ausreichend aufgeschmolzen bzw. verdampft werden kann, wird ein Warnsignal erzeugt bzw. eine Prozesskontrolle durchgeführt. Diese Maßnahme ist für die Bearbeitungssteuerung vor der Laserbelichtung vorteilhaft, da Zylinder-Laufflächen mit zu großer Blechmanteldicke bereits vor dem Laserbelichtungsvorgang ausgesondert werden können bzw. das Honbearbeitungsverfahren überprüft und gegebenenfalls optimiert werden kann. Eine Aussage über die tatsächliche Graphit-Offenlegung nach einer Laserbelichtung an einer fertig bearbeiteten Zylinder-Lauffläche wird dadurch jedoch nicht erhalten, da die Laserbelichtung, gegebenenfalls mit Belichtungsfehlern nicht in die Prüfung mit einbezogen ist.
  • In allgemein bekannter Weise wird die Graphit-Offenlegung an einer fertig bearbeiteten Zylinder-Lauffläche nach einer Laserbelichtung mittels zerstören – der Prüfungen oder subjektiver Beurteilungen, zum Beispiel mittels eines Winkelmikroskops, durchgeführt. Ersichtlich können damit nicht alle Zylinder-Laufflächen bei einer Serienherstellung geprüft werden, da nur Stichproben möglich sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber ein Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche eines Zylinders aus Graugusswerkstoff vorzuschlagen, das einfach durchgeführt werden kann und als Prüfmethode in den Herstellungsprozess integrierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Thermographie-Kamera mit einem gekühlten Detektor auf eine Prüfstelle der Zylinder-Lauffläche gerichtet wird, wobei der Detektor auf eine konstante Detektor-Temperatur unter eine konstante Zylinder-Laufflächen-Temperatur gekühlt wird und die konstante niedrige Detektor-Temperatur als Nullpunkt-Temperatur bei der Thermographie genutzt wird.
  • Mittels der Thermographie-Kamera wird die Emission und Reflexion der Zylinder-Lauffläche an der Prüfstelle über die Messtemperatur detektiert und der Grad der Graphit-Offenlegung aus der mittleren Messtemperatur entsprechend der Reflexionsintensität abgeleitet. Der Detektor wird hier somit als „Kältefleck” auf der Zylinder-Lauffläche abgebildet. Dabei wird genutzt, dass Graphit ein schlechter Wärmeleiter mit hohem Emissionsgrad und niedrigem Reflexionsgrad und Eisen ein guter Wärmeleiter mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad ist. Damit entspricht eine höhere Messtemperatur einer größeren Graphit-Offenlegung und eine niedrigere Messtemperatur einer geringeren Graphit-Offenlegung.
  • In einer bevorzugten konkreten Dimensionierung und Anordnung wird der Detektor auf eine konstante Detektortemperatur zwischen 60°K und 100°K, bevorzugt auf 76°K gekühlt und zur aktiven Thermographie benutzt, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Zylinder-Laufflächen-Temperatur der wesentlich höheren konstanten Umgebungstemperatur von zum Beispiel ca. 295°K entspricht.
  • Während der Messung und Prüfung wird die Thermographie-Kamera mit ihren gekühlten Detektor unmittelbar oder mittelbar über wenigstens einen Spiegel auf die Prüfstelle der Zylinder-Lauffläche gerichtet, wobei die Rückstrahlung des Detektors durch Spiegelung eines Kälteflecks an der Zylinder-Lauffläche gemessen wird.
  • Für eine Auswertung des Thermographieverfahrens wird der Thermographie-Kamera zur Digitalisierung des Messsignals ein Analog/Digital-Wandler nachgeordnet und das digitalisierte Messsignal anschließend in einem Rechner ausgewertet.
  • Eine solche Auswertung erfolgt zweckmäßig durch die Vorgabe eines Schwellwerts für das Messsignal, welcher beispielsweise durch Versuche ermittelbar ist. Beim Überschreiten dieses Schwellwerts kann dann ein Impuls und/oder ein optisches und/oder akustisches Signal für eine Freigabe zur Weiterverarbeitung und bei Unterschreiten des Schwellwerts ein Signal der Ausschussmeldung und/oder für eine Warnung zur Prozesskontrolle abgegeben werden.
  • Das erfindungsgemäße Prüfverfahren kann mit relativ geringem Aufwand in einen Serienfertigungsprozess integriert und automatisiert werden, womit dann vorteilhaft an jeder oder an ausgewählten Zylinder-Laufflächen Messungen für eine quantitative Auswertung der Graphit-Offenlegung durchgeführt werden, so dass Ausschussteile im Fertigungsprozess weitgehend ausgeschlossen werden können.
  • Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Messvorgangs.
  • In 1 ist schematisch im Teilschnitt eines Grauguss-Zylinderkurbelgehäuses 1 mit einer Zylinderlauffläche 2 dargestellt. Die Zylinderlauffläche 2 wurde in üblicher Weise durch Honen und einer anschließenden Laserbelichtung bearbeitet, wodurch eine Graphit-Offenlegung durchgeführt worden ist. Ob eine ausreichende Freilegung von Graphitlamellen des Graugusswerkstoffes für ein ausreichendes Ölhaltevolumen im Tribosystem Zylinderlauffläche/Kolbenring vorliegt wird mittels einer Thermographie-Kamera 3 gemessen und geprüft. Dazu ist die Thermographie-Kamera 3, deren Einzelheiten anhand der 2 erläutert werden, über einen Hohlleiter 4 und einen Umlenkspiegel 5 auf eine Probestelle 6 der Zylinderlauffläche 2 gerichtet. Je nach den Gegebenheiten und Größenverhältnissen kann die Thermographie-Kamera 3 auch direkt ohne Spiegel auf die Probestelle 6 gerichtet sein.
  • In einer automatisierten Anordnung in einem Serienfertigungsprozess wird die Thermographie-Kamera 3 jeweils automatisch, beispielsweise mittels eines Roboterarms auf Probestellungen 6 der bearbeiteten Zylinderlaufflächen 2 gerichtet.
  • Für eine Auswertung des Messsignals der Thermographie-Kamera 3 ist dieser ein AD-Wandler 7 sowie ein Rechner nachgeschaltet, von dem lediglich eine Schwellwerteinheit 8 dargestellt ist. Beim Überschreiten eines ermittelbaren und einstellbaren Schwellwerts X durch die Messtemperatur TM erfolgt eine Freigabe für eine weitere Bearbeitung. Beim Unterschreiten ist dagegen die Graphit-Offenlegung unzureichend und es erfolgt ein Warnsignal für eine Prozesskontrolle.
  • Anhand der schematischen Darstellung in 2 wird weiter das Messverfahren erläutert:
    Eine Thermographie-Kamera 9 enthält einen Detektor 10 hinter einer Linse 11. Der Detektor 10 ist auf eine konstante tiefe Temperatur von zum Beispiel TD = 76°K gekühlt und auf eine streifenförmige Probestelle 6 einer Zylinderlauffläche 2 gerichtet. Die Temperatur der Zylinderlauffläche TZ entspricht der Umgebungstemperatur TU und ist während der Messung als konstant mit ca. 295°K angenommen.
  • Damit ergibt sich folgender physikalischer Zusammenhang: εZ + ρZ + ζZ = 1 und bei ζZ ≈ 0 ergibt sich ρZ = 1 – εZ wobei
    • εZ
    = Emissionsgrad
    ρZ
    = Reflexionsgrad
    ζZ
    = Transmissionsgrad
    an der Probestelle 6 sind.
  • Für die Messtemperatur TM ergibt sich: TM = TD·ρZ + TZ·εZ nach einer Umformung ergibt sich somit
    Figure 00070001
    und wegen TD, TU und TZ konstant, folgt
    εZ ~ TM, also εZ ist proportional der Messtemperatur TM
    εZ für Graphit ist wesentlich größer als für Eisen, so dass ein größeres εZ entsprechend einer höheren Messtemperatur TM einer größeren Graphit-Offenlegung und ein kleineres εZ entsprechend einer niedrigeren Messtemperatur TM einer geringeren Graphit-Offenlegung entspricht.
  • Die Messergebnisse aufgrund der erfassten Messtemperatur TM sind somit für eine quantitative Auswertung und Beurteilung der Graphitoffenlegung geeignet.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche (2) eines Zylinders aus Graugusswerkstoff, wobei die Zylinder-Lauffläche (2) mit einem Honprozess und anschließender Laserbelichtung bearbeitet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermographie-Kamera (9) mit einem gekühlten Detektor (10) auf eine Prüfstelle (6) der Zylinder-Lauffläche (2) gerichtet wird, dass der Detektor (10) auf eine konstante Detektor-Temperatur (TD) unter eine konstante Zylinder-Laufflächen-Temperatur (TZ) gekühlt wird und die konstante niedrige Detektor-Temperatur (TD) als Nullpunkt-Temperatur bei der Thermographie genutzt wird, und dass mittels der Thermographie-Kamera die Emission und Reflexion der Zylinder-Lauffläche (2) an der Prüfstelle (6) über die Messtemperatur (TM) detektiert wird und der Grad der Graphit-Offenlegung aus der mittleren Messtemperatur (TM) entsprechend der Reflexionsintensität abgeleitet wird, wobei genutzt wird, dass Graphit ein schlechter Wärmeleiter mit hohem Emissionsgrad und niedrigem Reflexionsgrad und Eisen ein guter Wärmeleiter mit niedrigem Emissionsgrad und hohem Reflexionsgrad ist, so dass eine höhere Messtemperatur (TM) einer größeren Graphit-Offenlegung und eine niedrigere Messtemperatur (TM) einer geringeren Graphit-Offenlegung entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) auf eine konstante Detektor-Temperatur (TD) zwischen 60°K und 100°K gekühlt und zur aktiven Thermographie genutzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Laufflächen-Temperatur (TZ) einer konstanten Umgebungstemperatur (TU) entspricht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermographie-Kamera (9) mit ihrem gekühlten Detektor (10) unmittelbar oder mittelbar über wenigstens einen Spiegel (5) auf die Prüfstelle (6) der Zylinder-Lauffläche (2) gerichtet wird, wobei die Rückstrahlung des Detektors (10) durch Spiegelung an der Zylinder-Lauffläche (2) gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermographie-Kamera (9) zur Digitalisierung des Messsignals ein Analog/Digital-Wandler (7) nachgeordnet ist und das digitalisierte Messsignal in einem Rechner (8) ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung ein Schwellwert (X) für das Messsignal bzw. die Messtemperatur (TM) festgelegt wird, und dass bei Überschreiten des Schwellwerts (X) ein Impuls und/oder ein optisches und/oder akustisches Signal für eine ausreichende Graphit-Offenlegung und Freigabe für eine Weiterverarbeitung und bei Unterschreiten des Schwellwerts ein Signal als Ausschussmeldung und/oder für eine Warnung zur Prozesskontrolle abgegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einen Serienfertigungsprozess integriert ist und automatisiert an jeder oder an ausgewählten Zylinder-Laufflächen (2) Messungen für eine quantitative Auswertung der Graphit-Offenlegung durchgeführt werden.
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