DE4217530A1 - Treating piston slide paths - using laser beam performing motion similar to honing motion - Google Patents

Treating piston slide paths - using laser beam performing motion similar to honing motion

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Abstract

The method concerns treatment of piston slide paths made, in particular, of cast iron. The surface (3) is finished by honing and is then subjected to treatment by means of a laser beam focussed onto it. The laser beam is applied to individual surface elements over brief time periods, so that only the scale cover of graphite segments is opened, without removal of material from the surface. Pref. a laser with a short wavelength is led over the surface with a motion similar to the honing motion. The beam is either point or line focussed onto the surface. The beam from a laser located outside the tool is brought to the tool via a light guide. The laser is modulated (in particular, switched on and off) to produce a required surface texture of the piston slide path. USE/ADVANTAGE - In the motor industry. Its use results in improved wear resistance, as well as in reduced oil and fuel consumption. Simpler (and hence cheaper) piston rings can be used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kol­ benlaufbahnen.The invention relates to a method for processing Kol career paths.

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.Cylinder blocks are often made of cast iron. Honing Cast iron, which is made today due to the longer service life finally with diamond or CBN honing stones it turned out that there is a disadvantage that has an increasing impact on high-speed engines. In the microstructures of diamond-honed piston raceways made of cast iron Irons show up in the top layer of material certain shingles, i.e. boundary layer shifts that are referred to in the professional world today as a sheet metal jacket. Man can this scaling depending on the contact pressure of the Hon afford and softness of the metallic bond in certain Influence borders, but do not prevent them. That has the  Disadvantage that the tongues of the scales during the Lau of the engine and thereby piston seizure or branch cause piston rings. Through the scaling at the same time the cut graphite flakes of the cast squeezed. The so-called emergency running properties of the cast are lost because the graphite lamellae are covered are. This phenomenon also leads to higher frictional forces for the piston movement and thus to a higher oil and Fuel consumption.

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.Because of the great advantages of diamond and CBN honing stones this cannot be dispensed with. Therefore, the Disadvantages of scaling through the use of expensive Chrome-molybdenum alloyed piston rings balanced.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (EP-B-113 915), zur Ver­ besserung dieses Nachteils nach dem Fertighonen eine Nachbe­ arbeitung durch Elektroerodieren durchzuführen.It has already been proposed (EP-B-113 915) for ver improvement of this disadvantage after finishing a post-treatment work by electrical discharge machining.

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).It is also known to use lasers for cutting, welding and milling. A CO 2 laser is used in this so-called "laser ca ving". The area of application is particularly in tool and mold making (Industriean pointer 84/1989, p. 40).

Die auf diese Weise behandelten Flächen besitzen eine Rau­ higkeit, die größer ist als die Rauhigkeiten nach dem Feinho­ nen.The surfaces treated in this way are rough ability that is greater than the roughness after the 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.The invention has for its object a method of to create the type mentioned, with the help of ei ne more precise processing of the surfaces under simultaneous Can improve the emergency running properties, with what the wear resistance of engines is increased and the Repairs susceptibility should be reduced. Furthermore should lower oil consumption, shorter running-in times, less  low fuel consumption and above all the possible application made possible by simpler and therefore cheaper piston rings become light.

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.To achieve this object, the invention proposes that Finish honing the surfaces to be machined with the help to process a laser again, which is on the surface focused and guided over the surface. The The laser beam therefore only stays on the for a very short time working surface, so that he only an opening of ver flaking graphite flakes without being effective remove the surface. The laser beam does not serve to remove the surface, but for ver improvement of the structure of the already finished upper surface and thus to solve the stated task. Simultaneously Under certain circumstances, the structure of the Surface occur.

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.It turned out to be particularly cheap, as a beam source to use an excimer laser, which at a works relatively low wavelength and therefore a high one Provides energy.

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.The laser beam is preferably in a continuous Movement over the surface. Point effects can by means of the pulses which are customary in excimer lasers. In particular, the invention proposes that the laser beam in a movement similar to the honing movement processing surface is performed, so in a combi nated lifting and rotating movement. This way the existing honing machines for driving a laser use a blasting tool.

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.According to the invention, the laser can be punctiform to focus on the surface to be processed. This can be done with lenses or with mirrors. This possibility  is particularly preferable when the laser beam is in the mentioned combined lifting and rotating movement over the Surface is guided.

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.However, it is also possible and is of the invention proposed to machine the laser in a line shape focus on the surface. Then an entire can Area to be swept.

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.According to the invention can be used to simplify the manufacture of the Tool should be provided that the laser outside the factory Stuff is arranged and its beam over a light guide is led into the tool.

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:Further features, details and advantages of the invention he are given by the claims, the following description Exercise preferred embodiments of the invention and based on the drawing. Here show:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Ansicht der Bearbeitung mit Hilfe eines punktförmig fokussierten Laserstrahls; Fig. 1 is a greatly simplified view of the processing by means of a point-shaped focussed laser beam;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, bei der ein linienförmig fokussierter Laserstrahl verwendet wird. Fig. 2 is a representation corresponding to Fig. 1, in which a linearly focused laser beam is used.

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. The workpiece 1 has a bore 2 which forms a cylindrical surface 3 to be machined. After honing, which is not described in more detail here, this surface is then reworked according to the invention with the aid of a laser beam. The tool 4 used for this purpose contains a rigid tool body with a bore 5 extending in the longitudinal axis of the tool. The tool is driven in the same way as a honing tool, i.e. in a combined lifting and rotating movement.

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.At its lower end, the tool 4 contains a holder 6 for a mirror 7 . The mirror 7 extends at an angle of approximately 45 ° to the longitudinal axis.

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.In the bore 5 of the tool 4 , a light guide 8 is arranged, the lower flat end 9 ends just before the surface of the mirror 7 . The mirror 7 is arranged so that the light beam emerging from the light guide 8 falls on the mirror 7 as a whole. An excimer laser is used as the light source, the light of which is coupled into the light guide 8 . The leaving the light guide 8 at its lower end 9 laser beam is deflected by the mirror 7 so that it falls approximately at right angles on the surface 3 to be processed. If the tool 4 is now driven in the described lifting and rotating movement, the laser beam gradually migrates over the entire surface 3 to be machined, so that it opens the scales.

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.The laser beam can be focused outside of the tool, for example, so that a flat mirror 7 is sufficient. However, it is also possible to send a still parallel laser beam through the light guide 8 and to use a slightly concave mirror to focus this laser beam on the surface, which then takes over the focus.

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. Fig. 2 shows a way to focus the laser beam in a different way. The lower end of the light guide 8 widens in this case and forms a head 10 with a circular cylindrical outer surface 11 . In the underside of the head a reflective cone 12 is inserted, the tip of which lies exactly in the axis of rotation of the tool 4 and the conical surface of the cone likewise extends at an angle of 45 ° to the longitudinal axis. A light beam 8 coming down through the light guide 8 is deflected radially outwards due to the mirror cone 12 and emerges radially outwards through the outer surface 11 of the head 10 . The laser beam leaves the light guide as a narrow ring-shaped band, which begins at one point over the entire order of the bore 2 on the surface 3 . Again, it is possible to focus this laser beam so that it strikes the surface 3 as a focused line. In this case, it is sufficient to guide the tool 4 in one stroke. Of course, any rotation that occurs does not interfere. The reflective cone 12 can be made by bringing a corresponding recess in the light guide 8 and by mirroring the surface if the material of the light guide 8 Ma has no total reflection at this angle.

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.In a further development, the invention proposes the surface to give a certain texture or structure. This is it possible to modulate the laser, especially on and off switch on.

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.1. Process for machining piston races, in particular made of cast iron, in which the surface to be machined ( 3 ) is honed and then reworked with the aid of a laser beam, which is focused on the surface to be machined ( 3 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Excimer-Laser verwendet wird.2. The method of claim 1, wherein an excimer laser is used. 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.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the laser is guided in a movement similar to the honing movement over the surface to be machined ( 3 ). 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laser punktförmig auf die zu bearbeitende Ober­ fläche (3) fokussiert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser is focused spot on the surface to be processed ( 3 ). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Laser linienförmig auf die zu bearbeitende Oberfläche (3) fokussiert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the laser is linearly focused on the surface to be processed ( 3 ). 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.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the beam of the laser arranged outside the tool ( 4 ) is directed via an optical fiber ( 8 ) into the tool ( 4 ). 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laser zur Erzeugung einer Textur der Oberfläche moduliert wird, insbesondere ein- und ausgeschaltet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, at that of the laser to create a texture of the surface is modulated, especially on and off becomes.
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