JP7427563B2 - 金属コーティングの方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の、工作物の少なくとも１つの表面を金属コーティングする方法に関する。

本発明は、さらに、請求項１３に記載の、工作物の少なくとも１つの表面を金属コーティングするシステムに関する。

工作物表面に金属コーティングを施すコーティング・デバイスを用いる工作物の金属コーティングのシステムおよび方法は、長く知られている。この類のコーティング・デバイスは、エンジン・ブロックのシリンダ・ボアのコーティングに用いられ、例えばプラズマ溶射法、溶射法または他の金属コーティング法が用いられる。

本出願人のＥＰ３０４８１８１Ｂ１から、工作物の金属コーティングの方法およびシステムが知られており、コーティングされるべきシリンダ・ボアを含むエンジン・ブロックは、装填ステーションと処理ステーションとの間で工作物を旋回させることができる回転テーブル上に配置される。このプロセスでは、エンジン・ブロックは、装填ステーションで受けられ、シリンダ・ボアは、コーティングの前に、測定装置を用いて測定される。そうすることで、表面構造が記録され得る。次いで、エンジン・ブロックは、コーティング位置まで旋回され、プラズマ溶射により金属コーティングが円筒形ボア表面に施される。このエンジン・ブロックがコーティング位置まで旋回されると、同時に、コーティングが終わったエンジン・ブロックが装填位置へと旋回して戻される。このプロセスでは、コーティング済みエンジン・ブロックは、装填ステーションから降ろされる前に同じ測定装置を用いて測定される。コーティング前と後の表面構造を比較することによって、層厚および層厚の輪郭を正確に決定することができる。

本発明は、所望の表面輪郭を有するコーティングを特に高効率で施すことができる、工作物の金属コーティングの方法およびシステムを提供するという目的に基づいている。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する方法および請求項１３の特徴を有するシステムの両方によって解決される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項で示される。

工作物の少なくとも１つの表面を金属コーティングする本発明による方法では、コーティング前に、コーティングされるべき表面の凹凸のある表面構造が測定装置によって検出され、プロセス中にその表面に対して移動されてコーティング材料を塗布する少なくとも１つの堆積装置によってコーティングが行われ、および、堆積装置が、検出された表面構造に基づいて制御装置によって制御され、より多い材料が凹領域に塗布され、より少ない材料が凸領域に塗布されることが提供される。

本発明は、コーティングされるべき工作物が、鋳造、パンチング、鍛造および特に材料を除去する機械加工を含むことがある前処理のタイプに応じて、凹凸を含む巨視的に粗い表面構造を有することがある、という知識に基づいている。高コーティング精度でコーティングを施すとき、この種の粗い表面構造は、実質的に、コーティング面の表面構造に依然として存在する、またはより顕著に発達することがある。これに対抗するために、本発明によれば、コーティングの堆積を、表面構造について検出された値に応じて制御装置によって制御する。このプロセスでは、コーティング中、より多くの材料が、工作物の表面構造に凹部がある領域に局所的に塗布され、より少ない材料が、より高いまたは突出した構造がある領域に局所的に塗布され得るように、制御が行われる。その結果、工作物のコーティングされるべき表面の表面寸法の比較的大きな変動でも概ね均一にすることができ、コーティング面の所望に定義された表面輪郭を設定することができる。

本発明による方法によって、コーティングされるべき表面があまり正確に前処理される必要のない工作物を処理することができる。さらに、材料の差異のある堆積により、コーティング材料の消費量およびコーティングに伴う手間を低減させることができる。

さらに、コーティング面の可能性のある後処理に必要な労力を低減させることができる。これはすべて、製造の労力を減らし、費用を削減する。

基本的に、コーティング面のほとんどすべての表面輪郭を、この方法を用いて設定することができる。本発明の方法の一変形形態によれば、実質的に平らな表面がコーティング中に形成されることが特に好ましい。これは、特にブレーキ・ディスクのコーティング中に望まれ、それによって、これらのディスクは高い同心性およびスタート直後から動作中の高い制動力を確実にすることができる。

コーティングは、例えばプラズマ溶射法、溶射法などの金属コーティングを施す一般的なコーティング方法を用いて行うことができる。コーティングをレーザ堆積溶接によって行うことが特に好ましい。その結果、特に堅牢で安定したコーティングを作り出すことができる。

本発明の一展開によれば、レーザ堆積溶接中、金属粉末が、堆積装置によって、コーティングされるべき表面に堆積されること、およびレーザによって、塗布された金属粉末が局所的に溶融され、コーティングが形成されることが特に有利である。このプロセスでは、金属粉末は、１つまたは複数の堆積ノズルによって工作物上のコーティングされるべきポイントに塗布され得る。同時に、塗布された金属粉末は、このポイントに標的が定められたレーザにより溶融され、こうしてコーティングが形成され得る。測定用レーザが表面構造の測定に使用される場合、コーティング装置のレーザは、測定用レーザがコーティングされるべき表面の上を移動した経路も正確に追従することができる。

ここでは、コーティング中、塗布される金属粉末の量および／またはレーザの出力が制御装置によって制御されることが特に好ましい。その結果、金属粉末の消費量およびレーザのエネルギー消費量も特に効率的に設定することができる。

本発明の一展開によれば、特に高いコーティング性能は、工作物上にコーティングを同時に堆積させる少なくとも２つの堆積装置によって達成される。こうして、堆積装置の数により、処理時間を減少させることができる。

ここでは、工作物はディスク形または平面であり、コーティングは、２つの相反する面上に行われることが特に好ましい。これは、剪断力、特に工作物の熱応力をも相殺することができる。

堆積装置が互いに直接対向すること、およびコーティングが両面に同時に行われることによって、特に良好な相殺が達成され得る。

基本的に、工作物は、コーティング中、任意のやり方で配置することができ、特にはコーティングされるべき表面は、水平に配置することができる。本発明による方法の特に有利な構成は、コーティング中、コーティングされるべき表面が重力に概ね平行に向けられることにある。特にレーザの同時の動作により金属粉末が堆積されるとき、この類の工作物配置は、溶融しなかった金属粉末がコーティングされるべき表面から下方に速やかに放出され、表面の水平配置と比較すると、コーティングされるべき表面に金属粉末がない、または望ましくないやり方で積もる金属粉末がわずかであるという効果を有する。

本発明による方法の他の変形形態によれば、コーティング後、コーティング面は、アウトプット測定装置によって測定され、表面構造が検出されることが提供される。ここで、アウトプット測定装置は、インプット測定向けのものと同じ測定装置でよく、または別個の測定装置であってもよい。特に、表面構造は、インプット測定中もアウトプット測定中も、測定用レーザによって測定され得る。制御装置において、未コーティング面の表面構造とコーティング面の表面構造が比較され得る。その結果、層厚を確実に決定することができる。コーティング中に発生する可能性のある欠陥またはずれを決定することもできる。制御装置により、コーティング・パラメータの変更または堆積装置を備えるコーティング・デバイスの保守は、これらの測定値および比較値に基づいて決定する、または開始することができる。

特に寸法的に正確なコーティング面を実現するために、本発明の一展開によれば、コーティング面の材料を除去する後処理が行われ、材料除去工具が、アウトプット測定装置で検出された表面構造に応じて、工作物に対して移動されることが提供される。制御装置によって、特に材料除去工具は、所望の最終の厚さが実現され、コーティング面上のあらゆる可能性のある残留する望ましくない段差が除去されるように、コーティング面の測定された表面構造に基づいて調整され得る。

ここでは、後処理は、研削、ホーニング加工、ラップ加工および／または研磨を含むことが特に適切である。他の機械加工プロセス、例えばレーザによる材料除去も、原理上は同様に使用することができる。

さらに、本発明は、工作物の少なくとも１つの表面を金属コーティングするシステムであって、コーティングされるべき表面の凹凸を含む表面構造を検出する測定装置と、コーティング中に工作物の表面に対して移動され得る、コーティングを堆積させる少なくとも１つの堆積装置と、検出された表面構造に基づいて堆積装置を制御するように構成される制御装置であって、より多くの材料が凹領域に塗布され、より少ない材料が凸領域に塗布される、制御装置とを含む、システムを備える。

このシステムを使用して、上述の方法を特に行うことができる。それによって、既に記載の利点を達成することができる。

このプロセスにおいて、堆積装置は、特にレーザ堆積溶接を行うように設計される。

有利には、コーティング面の表面構造を検出することができるアウトプット測定装置が設けられる。アウトプット測定装置は、特にインプット測定装置とは別に配置される。塗布された層の厚さは、例えば、インプット測定のための測定装置とアウトプット測定装置の両方に接続された制御装置によって決定され得る。

本発明によるシステムの他の好ましい実施形態は、少なくとも１つの材料除去処理デバイスを備える後処理ステーションが配置されることにある。ここでは、材料除去処理デバイスは、特に研削デバイスとすることができる。

図面に概略的に示される好ましい実施形態をもとに、以下に本発明をより詳細に説明する。

本発明によるシステムの概略図である。 本発明による工作物のコーティングの概略図である。 図１によるシステムに基づいた、本発明による他のシステムの斜視図である。 測定の配置の概略図である。 本発明によるコーティングの結果の概略図である。

図１には、本発明によるシステム１０の第１の実施形態が示されている。前記システムは、モジュール群３０を形成する互いに隣り合った並列配置の４つのコーティング・モジュール２０を備える。モジュール群３０の上流には、インプット測定ステーション４０が配置され、そのステーション４０へ工作物（ここでは図示せず）が主搬送装置６０により搬送される。本実施形態では多軸ロボットのように構成されるハンドリング装置３２によって、工作物は、主搬送装置６０から持ち上げられ、箱形のインプット測定ステーション４０に供給される。

工作物、特にコーティングされるべき表面は、インプット測定ステーション４０の測定装置４２を用いて測定される。このプロセスでは、特にコーティングされるべき表面の表面構造が検出され、特に表面の凹凸が検出され測定され得る。

次いで、測定された工作物は、インプット測定ステーション４０からハンドリング装置３２を介して、またはインプット測定ステーション４０から直接、４つのコーティング・モジュール２０に沿って延びる直線搬送装置３６へ移送され得る。直線コンベアとして構成された搬送装置３６上には、各コーティング・モジュール２０の上流に供給装置３８が配置され、工作物を選択されたコーティング・モジュール２０の箱形ハウジング２１の入口開口２４に導入する。

コーティング・モジュール２０同士は、同じまたは実質的に同じに構成され、輸送フレーム２２を備える。この輸送フレーム２２により、コーティング・モジュール２０を屋内クレーンまたはフォークリフト・トラックを用いて動かし、再配置することができる。それによって、例えば生産能力変更の場合、追加のコーティング・モジュール２０を追加もしくは除去する、または、修理もしくは保守のために、すでにあるコーティング・モジュール２０を新しいコーティング・モジュール２０に取り替えることが可能になる。

図２に関連して以下により詳細に説明するように、コーティング・モジュール２０では、工作物の少なくとも１つの表面に金属コーティングが施される。コーティング後、工作物は、入口開口２４を通って搬送装置３６へ案内されて戻される。これは、供給装置３８によって行われてもよい。搬送装置３６によって、コーティング済みの工作物は、共通のアウトプット測定ステーション５０へと輸送され、そこで工作物のコーティング面が測定される。アウトプット測定ステーション５０でのアウトプット測定装置５２によるこの最終測定後、工作物は、主搬送装置６０に戻され、主搬送装置６０によってさらなる処理へ搬送され得る。工作物はまた、図１には示されないが、インプット測定ステーション４０と同じやり方で、ハンドリング装置３２によって搬送装置３６からアウトプット測定ステーション５０へ、さらにまた主搬送装置６０へ移送されてもよい。

指定の工作物についてのインプット測定ステーション４０で決定された測定値は、中央制御装置へ送信される。測定された工作物がモジュール群３０の指定のコーティング・モジュール２０へと対応する供給装置３８により案内されるように、搬送装置３６は、制御装置によってさらに制御される。それと同時に、工作物がインプット測定値に応じてコーティングされ得るように、制御装置によって、指定の工作物の測定値が、選択または指定されたコーティング・モジュール２０へ転送される。コーティング後、工作物は、箱形のアウトプット測定ステーション５０で測定され、決定された測定値は、同様に、中央制御装置および指定の工作物についてのデータ・セットへと転送される。正しいコーティングが行われたかどうかを決定するために、制御装置において、インプット測定値およびアウトプット測定値ならびにコーティング・パラメータの比較が行われ得る。必要に応じて、コーティング中に制御装置によってコーティング・モジュール２０の動作パラメータが再調整されてもよい。

図２によれば、コーティングされるべき工作物５として、ディスク形要素、特にコーティングされるべき１つまたは２つの表面６を有するブレーキ・ディスクが用意され得る。金属コーティングは、プラズマ・コーティングまたはレーザ堆積溶接により、１つのコーティング・ノズル２６をそれぞれ備える２つの堆積装置２５によって施され得る。コーティング・ノズル２６は、キャリア２７上に配置される。プラズマ溶射では、金属粒子がアークで溶融され、高速で表面６に塗布される。堆積溶接では、コーティング材料、特に金属粉末が最初に塗布されてからレーザによって局所的に溶融される。このプロセスにおいて、コーティングは、多段階で多層に行われ得る。所望の特性、特に付着力、耐摩耗性および／または耐食性に関する特性を達成するために、特に複数の層はまた、様々な層厚、様々な材料および様々な方法で塗布され得る。

原理上は、コーティングされるべき表面６に沿ってキャリア２７によって動かされるコーティング・ノズル２６を用いてコーティングを行うことができる。プラズマ溶射および／またはレーザ堆積溶接に加えて、他の熱金属コーティング方法を代替としてまたは互いに組み合わせて使用することもできる。図２に示されるように、コーティングは、互いに直接対向して配置された２つのコーティング装置２５によって同時にディスク形工作物５の２つの表面６上に堆積されることが好ましい。

図３には、それぞれ４つのコーティング・モジュール２０からなる全部で３つのモジュール群３０を備える、本発明によるシステム１０の一展開が示されている。ここでは、個々のモジュール群３０は、図１の実施形態に従って構成されており、インプット測定ステーション４０およびアウトプット測定ステーション５０は、各モジュール群３０に割り当てられている。全部で３つのモジュール群３０は、直線主搬送装置６０に沿って配置され、したがって、この並列配置では、工作物は、個々のモジュール群３０内および個々の処理モジュール２０内で並行して処理され得る。コーティングが終わった工作物は、それぞれのアウトプット測定ステーション５０を通過後、主搬送装置６０へと案内されて戻され、主搬送装置６０によって後処理ステーション６４に送りこまれる。

図３により示される実施形態では、後処理ステーション６４は、並列に配置された、特に研削デバイスである全部で４つの後処理デバイス６６を備える。最終工程として、研削デバイスにより、工作物の少なくとも１つのコーティング面が処理され研削され得る。効率的な後処理を確実にするために、各工作物についての検出された測定値が、工作物の処理のために制御装置によって選ばれた後処理ステーション６４内の指定の研削デバイスへと転送され得る。こうして、工作物のコーティング面の検出された最終高さに応じて、例えば、それぞれの研削デバイス内で工作物の方に向けた研削工具の前進が効率的に実行され得る。

特に図３による実施形態から、要求される可能性のある生産能力のより大きな増加のときでも、個々のコーティング・モジュール２０だけでなく、複数のコーティング・モジュール２０ならびに関連のインプット測定ステーション４０およびアウトプット測定ステーション５０をそれぞれ備えるモジュール群３０全体も、システム全体に容易に加えることができることが分かる。

図４は、コーティング前の工作物５の測定のときの、２つの測定センサ４４を備える測定装置４２を示している。この図では、工作物５は、コーティングされるべき２つの相反する面６を含む、概略的に示されるブレーキ・ディスクである。測定装置４２のキャリア上にそれぞれ配置され得る対向するセンサ４４は、測定用レーザを含む共焦点センサまたは三角測量センサとして構成することができる。表面構造６を検出するためのセンサ４４は、コーティングの堆積のために、堆積装置２５が後で動くことになる経路の上を正確に動くことが好ましい。

測定の質をさらに向上させるために、工作物５の表面６の径方向領域をカバーするライン・スキャン・カメラを配置することができる。この測定装置の配置は、インプット測定ステーション４０とアウトプット測定ステーション５０の両方に提供することができる。

図５は、コーティング後の工作物５の一部を非常に概略的に示している。コーティングされるべき工作物５の表面６は、図５に誇張して示されている凹凸を有する表面輪郭を有する。参照符号３は、前記コーティングが、従来の方法に従って均一に堆積された場合のコーティングの概略的な表面輪郭を示している。これにより、コーティングされるべき表面６の凹凸がコーティング面の表面輪郭３においても見えることにもなる。

本発明による方法によって、実質的に平らな表面８を有するコーティング７になるように、コーティングされるべき表面６の凹領域により多くの材料を塗布することができ、凸領域により少ない材料を塗布することができる。

こうして、本発明による方法およびシステムを用いて、高品質のコーティングを特に経済的なやり方で堆積させることができる。

Claims (14)

1. ディスク形の工作物（５）の少なくとも１つの表面（６）を金属コーティングする方法であって、
   コーティング前に、コーティングされるべき前記表面（６）の凹凸のある表面構造が、測定装置（４２）によって検出され、
   前記表面（６）に対して移動される少なくとも１つの堆積装置（２５）によってコーティングが行われて、コーティング材料が塗布され、
   前記堆積装置（２５）が、検出された前記表面構造に基づいて制御装置によって制御され、より多い材料が凹領域に局所的に塗布され、かつ、より少ない材料が凸領域に局所的に塗布される、方法。
2. 前記コーティングが、レーザ堆積溶接として行われること、
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ堆積溶接中、金属粉末が、前記堆積装置（２５）によって、コーティングされるべき前記表面（６）に堆積され、
   レーザによって、塗布された前記金属粉末が局所的に溶融され、コーティング（７）が形成されること、
   を特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記コーティング中、塗布される金属粉末の量および／または前記レーザの出力が、前記制御装置によって制御されること、
   を特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 工作物（５）の少なくとも１つの表面（６）を金属コーティングする方法であって、
   コーティング前に、コーティングされるべき前記表面（６）の凹凸のある表面構造が、測定装置（４２）によって検出され、
   前記表面（６）に対して移動される少なくとも１つの堆積装置（２５）によってコーティングが行われて、コーティング材料が塗布され、
   前記少なくとも１つの堆積装置（２５）が、検出された前記表面構造に基づいて制御装置によって制御され、より多い材料が凹領域に局所的に塗布され、かつ、より少ない材料が凸領域に局所的に塗布され、
   前記少なくとも１つの堆積装置が少なくとも２つの堆積装置（２５）を含み、前記少なくとも２つの堆積装置（２５）が、前記工作物（５）上にコーティング（７）を同時に堆積させる、方法。
6. 前記工作物（５）が、ディスク形または平面であり、
   前記コーティング（７）が、２つの相反する面（６）上に行われること、
   を特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 工作物（５）の少なくとも１つの表面（６）を金属コーティングする方法であって、
   コーティング前に、コーティングされるべき前記表面（６）の凹凸のある表面構造が、測定装置（４２）によって検出され、
   前記表面（６）に対して移動される少なくとも１つの堆積装置（２５）によってコーティングが行われて、コーティング材料が塗布され、
   前記少なくとも１つの堆積装置（２５）が、検出された前記表面構造に基づいて制御装置によって制御され、より多い材料が凹領域に局所的に塗布され、かつ、より少ない材料が凸領域に局所的に塗布され、
   前記工作物（５）が、ディスク形または平面であり、
   コーティング（７）が、２つの相反する面（６）上に行われ、
   前記少なくとも１つの堆積装置が少なくとも２つの堆積装置（２５）を含み、前記少なくとも２つの堆積装置（２５）が、互いに直接対向しており、前記コーティング（７）が、前記２つの相反する面（６）に対する垂線方向に沿って前記コーティング材料を溶射して前記工作物の両面上で同時に行われる、方法。
8. 前記コーティング中、コーティングされるべき前記表面（６）が、重力に概ね平行に向けられること、
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記コーティング後、コーティング面（６）が、アウトプット測定装置（５２）によって測定され、表面構造が検出されること、
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記コーティング面の材料を除去して寸法的に正確な前記コーティング面を実現する後処理が行われ、材料除去工具が、前記アウトプット測定装置（５２）で検出された前記表面構造に応じて、前記工作物（５）に対して移動されること、
    を特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記後処理が、研削、ホーニング加工、ラップ加工および／または研磨を含むこと、
    を特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ディスク形の工作物（５）の少なくとも１つの表面（６）を金属コーティングするシステムであって、
    コーティングされるべき前記表面（６）の凹凸を含む表面構造を検出する測定装置（４２）と、
    コーティング中に前記工作物（５）の前記表面（６）に対して移動され得る、コーティングを堆積させる少なくとも１つの堆積装置（２５）と、
    前記検出された表面構造に基づいて、より多くの材料が凹領域に局所的に塗布され、かつ、より少ない材料が凸領域に局所的に塗布されるように前記堆積装置（２５）を制御する制御装置と、
    を備える、システム。
13. コーティング面（６）の表面構造を検出することができるアウトプット測定装置（５２）が設けられること、
    を特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 少なくとも１つの材料除去処理デバイス（６６）を備える後処理ステーション（６４）が配置され、前記少なくとも１つの材料除去処理デバイスは前記コーティング面の材料を除去して寸法的に正確な前記コーティング面を実現すること、
    を特徴とする請求項１３に記載のシステム。
    

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