DE4217530C2 - Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbah­ nen.

Zylinderblöcke bestehen häufig aus Gußeisen. Beim Honen von Gußei­ sen, das man wegen der größeren Standzeiten heute ausschließlich 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 Kolbenlauf­ bahnen aus Gußeisen zeigen sich nämlich in der obersten Werkstoff­ schicht gewisse Verschuppungen, also Grenzschichtverschiebungen, die heute in der Fachwelt als Blechmantel bezeichnet werden. Man kann diese Verschuppungen zwar je nach Anpreßdruck der Honleisten 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 Laufens des Motors ablösen und dadurch Kolbenfresser oder brandige Kolbenringe verursachen. Durch die Ver­ schuppung 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 Kolbenbe­ wegung 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 Ver­ schuppung durch den Einsatz von teueren Chrom-Molybdän-legierten Kolbenringen ausgeglichen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (EP 113 915 B1), zur Verbesserung dieses Nachteils nach dem Fertighohnen eine Nachbearbeitung durch Elektroerodieren durchzuführen.

Weiterhin ist es bekannt, zum Schneiden, Schweißen und zum Fräsen Laser einzusetzen. Bei diesem sogenannten "Lasercaving" wird ein CO₂- Laser verwendet. Der Anwendungsbereich liegt insbesondere im Werk­ zeug- und Formenbau. (Industrieanzeiger 84/1989, S. 40).

Die auf diese Weise behandelten Flächen besitzen eine Rauhigkeit, die größer ist als die Rauhigkeiten nach dem Feinhonen.

Im Aufsatz von BERGMANN "Behandeln mit Laser; Härten und Ver­ edeln von Oberflächen von Bauteilen mit Laserbestrahlung", Maschi­ nenmarkt, Würzburg 92 (1986) 43, S. 72 bis 78 wird beschrieben, durch Laserbehandlung einen bestimmten Gefügezustand eines Bauteils ein­ zustellen, ohne die Oberflächenstruktur zu beeinflussen. Als Behand­ lungsarten werden unter anderem Umwandlungshärten und Umschmel­ zen aufgezählt.

Der Aufsatz von AMENDE "Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mit Laser"; Technica 14/15/1988, S. 21 bis 24 befasst sich mit verschiedenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit Laser­ strahl. Als Verfahrensvarianten werden Härten, Umschmelzen, Auflegie­ ren und Beschichten beschrieben. Als Beispiel ist die Innenhärtung von Zylinderlaufbuchsen für Großdieselmotoren, die mit dem Einsatz des Lasers erst möglich wurde, erwähnt. Die Oberflächenstruktur der be­ handelten Oberfläche wird dabei nicht verändert.

Im Aufsatz von MEHLHORN "Thermische Oberflächenbehandlung mit Hilfe von CO₂-Laser", Feingerätetechnik, Berlin 32 (1983), S. 272 bis 276 sind als Verfahren zur Laserwärmebehandlung unter anderem O­ berflächenhärten und Oberflächenumschmelzen beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dessen Hilfe sich eine genauere Bearbei­ tung der Oberflächen unter gleichzeitiger Verbesserung der Notlaufei­ genschaften durchführen lässt, womit die Verschleißfestigkeiten von Mo­ toren erhöht werden und die Reparaturanfälligkeit verringert werden soll. Darüber hinaus 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, insbesondere aus Gusseisen, bei dem die zu bearbeitende Obefläche (3) fertig­ gehont und daran anschließend mit Hilfe eines Laserstrahls nach­ bearbeitet wird, der auf die zu bearbeitende Oberfläche (3) fokus­ siert wird, wobei beim Honen verschuppte Graphitlamellen geöffnet werden.

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 Oberfläche (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) angeordneten 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.