DE4217530A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbahnen - Google Patents
Verfahren zum Bearbeiten von KolbenlaufbahnenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kol
benlaufbahnen.
Zylinderblöcke bestehen häufig aus Gußeisen. Beim Honen von
Gußeisen, das man wegen der größeren Standzeiten heute aus
schließlich mit Diamant oder CBN-Honleisten durchführt, hat
sich herausgestellt, daß dabei ein Nachteil auftritt, der
sich bei schnell laufenden Motoren immer stärker auswirkt. In
den Mikrostrukturen diamantgehonter Kolbenlaufbahnen aus Guß
eisen zeigen sich nämlich in der obersten Werkstoffschicht
gewisse Verschuppungen, also Grenzschichtverschiebungen, die
heute in der Fachwelt als Blechmantel bezeichnet werden. Man
kann diese Verschuppungen zwar je nach Anpreßdruck der Hon
leisten und Weichheit der metallischen Bindung in gewissen
Grenzen beeinflussen, sie aber nicht verhindern. Das hat den
Nachteil, daß sich die Zungen der Schuppen während des Lau
fens des Motors ablösen und dadurch Kolbenfresser oder bran
dige Kolbenringe verursachen. Durch die Verschuppung werden
gleichzeitig die angeschnittenen Graphitlamellen des Gusses
verquetscht. Die sogenannten Notlaufeigenschaften des Gusses
gehen damit verloren, weil die Graphitlamellen abgedeckt
sind. Diese Erscheinung führt außerdem zu höheren Reibkräften
für die Kolbenbewegung und damit zu einem höheren Öl- und
Kraftstoffverbrauch.
Aufgrund der großen Vorteile der Diamant- und CBN-Honleisten
kann auf diese nicht verzichtet werden. Daher werden die
Nachteile der Verschuppung durch den Einsatz von teueren
Chrom-Molybdän-legierten Kolbenringen ausgeglichen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden (EP-B-113 915), zur Ver
besserung dieses Nachteils nach dem Fertighonen eine Nachbe
arbeitung durch Elektroerodieren durchzuführen.
Weiterhin ist es bekannt, zum Schneiden, Schweißen und zum
Fräsen Laser einzusetzen. Bei diesem sogenannten "Laserca
ving" wird ein CO2-Laser verwendet. Der Anwendungsbereich
liegt insbesondere im Werkzeug- und Formenbau (Industriean
zeiger 84/1989, S. 40).
Die auf diese Weise behandelten Flächen besitzen eine Rau
higkeit, die größer ist als die Rauhigkeiten nach dem Feinho
nen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit dessen Hilfe sich ei
ne genauere Bearbeitung der Oberflächen unter gleichzeitiger
Verbesserung der Notlaufeigenschaften durchführen läßt, womit
die Verschleißfestigkeiten von Motoren erhöht werden und die
Reparaturanfälligkeit verringert werden soll. Darüberhinaus
soll ein geringerer Ölverbrauch, kürzere Einlaufzeiten, weni
ger Kraftstoffverbrauch und vor allem die Einsatzmöglichkeit
von einfacheren und dadurch billigeren Kolbenringen ermög
licht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, nach dem
Fertighonen der zu bearbeitenden Oberflächen diese mit Hilfe
eines Lasers nochmals zu bearbeiten, der auf die Oberfläche
fokussiert und über die Oberfläche hinweggeführt wird. Der
Laserstrahl verweilt also nur sehr kurzzeitig auf der zu be
arbeitenden Oberfläche, so daß er nur eine Öffnung der ver
schuppten Graphitlamellen durchführt, ohne damit einen wirk
lichen Abtrag der Oberfläche durchzuführen. Der Laserstrahl
dient also nicht zum Abtrag der Oberfläche, sondern zur Ver
besserung der Struktur der bereits fertig bearbeiteten Ober
fläche und damit zur Lösung der genannte Aufgabe. Gleichzei
tig kann unter Umständen eine Verfestigung der Struktur der
Oberfläche auftreten.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, als Strah
lungsquelle einen Excimer-Laser zu verwenden, der bei einer
relativ niedrigen Wellenlänge arbeitet und daher eine hohe
Energie zur Verfügung stellt.
Der Laserstrahl wird vorzugsweise in einer kontinuierlichen
Bewegung über die Oberfläche geführt. Punkteffekte können
durch das bei Excimer-Lasern übliche Pulsen erreicht werden.
Insbesondere schlägt die Erfindung vor, daß der Laserstrahl
in einer der Honbewegung ähnlichen Bewegung über die zu
bearbeitende Oberfläche geführt wird, also in einer kombi
nierten Hub- und Drehbewegung. Auf diese Weise lassen sich
die vorhandenen Honmaschinen zum Antrieb eines den Laser
strahl verwendenden Werkzeugs benutzen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, den Laser punktförmig
auf die zu bearbeitende Oberfläche zu fokussieren. Dies kann
mit Linsen oder mit Spiegeln getan werden. Diese Möglichkeit
ist insbesondere dann vorzuziehen, wenn der Laserstrahl in
der erwähnten kombinierten Hub- und Drehbewegung über die
Oberfläche geführt wird.
Es ist jedoch ebenfalls möglich und wird von der Erfindung
vorgeschlagen, den Laser linienförmig auf die zu bearbeiten
de Oberfläche zu fokussieren. Dann kann jeweils ein ganzer
Bereich überstrichen werden.
Erfindungsgemäß kann zur Vereinfachung der Herstellung des
Werkzeugs vorgesehen sein, daß der Laser außerhalb des Werk
zeugs angeordnet wird und sein Strahl über einen Lichtleiter
in das Werkzeug hineingeleitet wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung er
geben sich aus den Patentansprüchen, der folgenden Beschrei
bung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand
der Zeichnung. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Ansicht der Bearbeitung mit
Hilfe eines punktförmig fokussierten Laserstrahls;
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, bei der
ein linienförmig fokussierter Laserstrahl verwendet
wird.
Das Werkstück 1 besitzt eine Bohrung 2, die eine zu bearbei
tende zylindrische Oberfläche 3 bildet. Nach dem Honen, das
hier nicht näher beschrieben wird, wird nun erfindungsgemäß
diese Oberfläche mit Hilfe eines Laserstrahls nachbearbeitet.
Das zu diesem Zweck dienende Werkzeug 4 enthält einen starren
Werkzeugkörper mit einer sich in der Längsachse des Werkzeugs
erstreckenden Bohrung 5. Das Werkzeug wird in der gleichen
Weise angetrieben wie ein Honwerkzeug, also in einer kombi
nierten Hub- und Drehbewegung.
An seinem unteren Ende enthält das Werkzeug 4 eine Halterung
6 für einen Spiegel 7. Der Spiegel 7 verläuft unter einem
Winkel von etwa 45° Grad gegenüber der Längsachse.
In der Bohrung 5 des Werkzeugs 4 ist ein Lichtleiter 8 ange
ordnet, dessen unteres plangeschliffenes Ende 9 kurz vor der
Oberfläche des Spiegels 7 endet. Der Spiegel 7 ist so ange
ordnet, daß der aus dem Lichtleiter 8 austretende Lichtstrahl
insgesamt auf den Spiegel 7 fällt. Als Lichtquelle wird ein
Excimer-Laser verwendet, dessen Licht in den Lichtleiter 8
eingekoppelt wird. Der den Lichtleiter 8 an seinem unteren
Ende 9 verlassende Laserstrahl wird durch den Spiegel 7 umge
lenkt, so daß er etwa rechtwinklig auf die zu bearbeitende
Oberfläche 3 fällt. Wird nun das Werkzeug 4 in der beschrie
benen Hub- und Drehbewegung angetrieben, so wandert der La
serstrahl nach und nach über die gesamte zu bearbeitende
Oberfläche 3, so daß er dort die Verschuppungen öffnet.
Die Fokussierung des Laserstrahls kann beispielsweise außer
halb des Werkzeugs erfolgen, so daß ein ebener Spiegel 7
ausreicht. Es ist jedoch auch möglich, durch den Lichtleiter
8 einen noch parallelen Laserstrahl zu schicken und zur Fo
kussierung dieses Laserstrahls auf die Oberfläche einen
leicht konkav gekrümmten Spiegel zu verwenden, der die Fokus
sierung dann übernimmt.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, den Laserstrahl in anderer
Weise zu fokussieren. Das untere Ende des Lichtleiters 8
erweitert sich in diesem Fall und bildet einen Kopf 10 mit
einer kreiszylindrischen Außenfläche 11. In die Unterseite
des Kopfes ist ein spiegelnder Konus 12 eingesetzt, dessen
Spitze genau in der Drehachse des Werkzeugs 4 liegt und des
sen Kegelmantel ebenfalls etwa unter einem Winkel von 45°
Grad gegenüber der Längsachse verläuft. Ein durch den Licht
leiter 8 nach unten gelangender Lichtstrahl wird aufgrund des
Spiegelkegels 12 radial nach außen abgelenkt und tritt durch
die Außenfläche 11 des Kopfes 10 radial nach außen aus. Der
Laserstrahl verläßt den Lichtleiter also als ein schmales
ringförmiges Band, das an einer Stelle über den gesamten Um
fang der Bohrung 2 auf der Oberfläche 3 auftrifft. Wiederum
ist es möglich, diesen Laserstrahl zu fokussieren, so daß er
als fokussierte Linie auf der Oberfläche 3 auftrifft. In die
sem Fall reicht es aus, das Werkzeug 4 in einer Hubbewegung
zu führen. Natürlich stört auch eine dabei auftretende Dreh
bewegung nicht. Der spiegelnde Konus 12 läßt sich durch Ein
bringen einer entsprechenden Vertiefung in dem Lichtleiter 8
und durch Verspiegelung der Fläche herstellen, falls das Ma
terial des Lichtleiters 8 keine Totalreflexion bei diesem
Winkel aufweist.
Die Erfindung schlägt in Weiterbildung vor, der Oberfläche
eine gewisse Textur oder Struktur zu geben. Hierzu ist es
möglich, den Laser zu modulieren, insbesondere ein- und aus
zuschalten.
Claims (7)
1. Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbahnen, insbeson
dere aus Gußeisen, bei dem die zu bearbeitende Oberflä
che (3) fertiggehont und daran anschließend mit Hilfe
eines Laserstrahls nachbearbeitet wird, der auf die zu
bearbeitende Oberfläche (3) fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Excimer-Laser
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laser in
einer der Honbewegung ähnlichen Bewegung über die zu
bearbeitende Oberfläche (3) geführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Laser punktförmig auf die zu bearbeitende Ober
fläche (3) fokussiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der
Laser linienförmig auf die zu bearbeitende Oberfläche (3)
fokussiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Strahl des außerhalb des Werkzeugs (4) angeord
neten Lasers über einen Lichtleiter (8) in das Werkzeug
(4) geleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Laser zur Erzeugung einer Textur der Oberfläche
moduliert wird, insbesondere ein- und ausgeschaltet
wird.
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