DE4217530C2 - 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 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.
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