DE102004007036A1

DE102004007036A1 - Process for machining workpiece surfaces

Info

Publication number: DE102004007036A1
Application number: DE200410007036
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Wolfgang Dr.-Ing. Pellkofer; Harald Dipl.-Ing. Pfeffinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005077620A1; JP2007521977A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung von Werkstück-Oberflächen (4), die beim Einsatz des Werkstücks (3) mit Schmiermittel zu versorgen sind, werden mittels Hochdruckwasserstrahlen (8) Kapillare (9) in die Werkstück-Oberfläche (4) eingebracht, welche beim Einsatz des Werkstücks (3) als Schmierstoffreservoir dienen.at a method for machining workpiece surfaces (4) when in use of the workpiece (3) are to be supplied with lubricant, by means of high-pressure water jets (8) capillary (9) into the workpiece surface (4) introduced, which when using the workpiece (3) as a lubricant reservoir serve.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstück-Oberflächen, die im Einsatz des Werkstücks mit Schmiermittel zu versorgen sind.The The invention relates to a method for machining workpiece surfaces, the in use of the workpiece be supplied with lubricant.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 43 16 012 C2 bekannt. Dabei werden mittels Laserstrahlen vorzugsweise kreuzförmig zueinander verlaufende Vertiefungen in die Werkstück-Oberfläche eingebracht. Insbesondere bei der Anwendung dieses Verfahrens bei Zylinderlaufflächen ist jedoch nachteilig, dass das Schmiermittel während der Bewegung des Kolbens nicht in den Vertiefungen verbleibt, sondern durch die Kolbenringe aus denselben herausgeschoben wird, insbesondere weil sämtliche Vertiefungen der Werkstück-Oberfläche miteinander kommunizieren. Dies führt dazu, dass sich das Schmiermittel meist nicht an dem Ort befindet, an dem es zur Schmierung erforderlich ist, was bei der genannten Anwendung zu einem höheren Ölverbrauch und somit zu schlechteren Emissionswerten führt. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens sind dessen relativ hohe Kosten sowie die erforderliche Nacharbeit.A generic method is from the DE 43 16 012 C2 known. In this case, by means of laser beams preferably recesses extending in a cross shape to one another are introduced into the workpiece surface. However, in particular when using this method in the case of cylinder running surfaces, it is disadvantageous that the lubricant does not remain in the depressions during the movement of the piston, but is pushed out of the same by the piston rings, in particular because all depressions of the workpiece surface communicate with one another. This means that the lubricant is usually not in the place where it is required for lubrication, resulting in the application mentioned to higher oil consumption and thus lower emission levels. Another disadvantage of the known method is its relatively high cost and the required rework.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstück-Oberflächen, die im Einsatz des Werkstücks mit Schmiermittel zu versorgen sind, zu schaffen, durch welches eine optimale Versorgung der Werkstück-Oberfläche mit Schmiermittel gewährleistet werden kann.It is therefore an object of the present invention, a method for Machining of workpiece surfaces, the in use of the workpiece with Lubricants are to provide, through which a optimal supply of the workpiece surface with Lubricants are guaranteed can.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this Problem solved by the features mentioned in claim 1.

Durch das erfindungsgemäße Einbringen von Kapillaren mittels Hochdruckwasserstrahlen in die Werkstück-Oberfläche ergeben sich in derselben einzelne Vertiefungen, in welche der Schmierstoff eindringen kann, ohne bei einer Relativbewegung, an der das Werkstück beteiligt ist, aus denselben befördert zu werden. Bei den Kapillaren handelt es sich nämlich um nicht miteinander kommunizierende Vertiefungen, so dass stets ein gewisser Betrag an Schmierstoff in denselben verbleibt. So bilden sich Mikrodruckkammer aus, welche sich unter tribologisch Beanspruchung reibleistungs- und verschleißminimierend auswirken.By the inventive introduction of Make capillaries by means of high pressure water jets in the workpiece surface in the same individual recesses into which the lubricant penetrate can, without a relative movement, participate in the workpiece is promoted from the same to become. The capillaries are in fact not related to each other communicating wells, so always a certain amount of lubricant remains in the same. This is how micro-pressure chambers form which are subject to tribological stress and wear-minimizing impact.

Die Kapillaren, die durch das Hochdruckwasserstrahlen entstehen können beispielsweise in Form von plastischen Deformationen im Stahlgefüge oder in Form von herausgelösten Graphitlamellen auftreten.The For example, capillaries that may be created by high pressure water jetting in the form of plastic deformations in the steel structure or in Form of liberated Graphite fins occur.

Die Verwendung von Hochdruckwasserstrahlen ist prinzipiell aus der DE 101 53 305 A1 zum Aufrauen von Oberflächen bekannt um es handelt sich dabei um ein kostengünstiges und prozesssicheres Verfahren.The use of high pressure water jets is in principle from the DE 101 53 305 A1 known for roughening of surfaces it is a cost-effective and process-safe process.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die Kapillare vorteilhafterweise jeweils in den Bereichen der zu bearbeitenden Werkstück-Oberfläche anbringen, an denen eine Schmierstoffversorgung erforderlich ist, wohingegen der restliche Teil, insbesondere zwischen einem oberen und unteren Totpunkt, der Fläche mit einer möglichst geringen Rautiefe ausgeführt werden kann. Aufgrund der dort vorherrschenden hohen Kolbengeschwindigkeit erfolgt auch mit einer geringeren Schmierstoffmenge eine hydrodynamische Schmierung.By the inventive method can be the capillary advantageously each in the areas attach the workpiece surface to be machined, where a lubricant supply is required, whereas the remaining part, especially between an upper and lower Dead center, the area with one as possible executed low roughness can be. Due to the prevailing high piston speed also takes place with a smaller amount of lubricant a hydrodynamic Lubrication.

Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung als zu bearbeitendes Werkstück eine Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschi ne verwendet wird, können durch die erfindungsgemäße Optimierung der tribologischen Eigenschaften der Zylinderlauffläche Reibung und Verschleiß sowie Ölverbrauch und Emissionen der Brennkraftmaschine verringert werden.If in an advantageous development as a workpiece to be machined Cylinder liner of a Brennkraftmaschi ne is used, can the optimization according to the invention the tribological characteristics of the cylinder surface friction and wear as well as oil consumption and emissions of the internal combustion engine can be reduced.

Wenn in diesem Zusammenhang vorgesehen ist, dass die Kapillare in einem Bereich unmittelbar unterhalb eines oberen Totpunkts eines sich relativ zu der Zylinderlauffläche bewegenden Kolbens eingebracht werden, so ergibt sich eine besonders gute Versorgung desjenigen Bereichs mit Schmiermittel, der während des Betriebs der Brennkraftmaschine der größten Belastung, insbesondere der größten thermischen Belastung, ausgesetzt ist, wohingegen der mittlere Bereich der Zylinderlauffläche nicht bearbeitet werden muss und daher einen Schmierfilm mit geringerer Höhe aufweist, was den Ölverbrauch der Brennkraftmaschine erheblich reduzieren kann.If provided in this connection is that the capillary in one Area immediately below a top dead center of a relative to the cylinder surface Moving piston are introduced, so there is a particularly good Supply of the area with lubricant which is during the Operating the internal combustion engine of the largest load, in particular the largest thermal Load is exposed, whereas the central region of the cylinder surface is not must be processed and therefore a lubricating film with less Height, what the oil consumption can significantly reduce the internal combustion engine.

Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die Kapillare in einem Bereich unmittelbar oberhalb eines unteren Totpunkts eines sich relativ zu der Zylinderlauffläche bewegenden Kolbens eingebracht werden. Für diese Maßnahme gilt im Prinzip das bezüglich des oberen Totpunkts Ausgesagte mit dem Unterschied, dass der Bereich des unteren Totpunkts weniger stark thermisch belastet ist.Of further it can be provided that the capillary in an area immediately above a bottom dead center of a relative to the cylinder surface moving piston are introduced. For this measure applies in principle the in terms of of the top dead center stated with the difference that the area of the bottom dead center is less heavily thermally stressed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig dargestellt.Further yield advantageous embodiments and refinements of the invention from the remaining subclaims. Below is an embodiment of the invention shown in principle.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 an apparatus for carrying out the method according to the invention;

2 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitete Zylinderlauffläche; 2 a machined by the method according to the invention cylinder surface;

3 eine Ansicht der Zylinderlauffläche gemäß dem Pfeil III aus 2; und 3 a view of the cylinder surface according to the arrow III 2 ; and

4 den Verlauf der Dicke des Schmierfilms zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt eines sich gegenüber der Zylinderlauffläche bewegenden Kolbens. 4 the course of the thickness of the lubricating film between the top dead center and the bottom dead center of a relative to the cylinder surface moving piston.

1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Kurbelgehäuse 2, in dem in an sich bekannter Weise eine ein zu bearbeitendes Werkstück 3 bildende Zylinderlaufbuchse 3a angeordnet ist. von dem Werkstück 3 soll dessen Werkstück-Oberfläche 4, in vorliegenden Fall also die Zylinderlauffläche 4a, bearbeitet werden, und zwar um während des Einsatzes der Zylinderlaufbuchse 3a deren Versorgung mit Schmiermittel, beispielsweise Öl, zu verbessern. 1 shows a very schematic representation of an internal combustion engine 1 with a crankcase 2 in which, in a conventional manner, a workpiece to be machined 3 forming cylinder liner 3a is arranged. from the workpiece 3 should its workpiece surface 4 , In this case, therefore, the cylinder surface 4a , to be processed, and indeed during use of the cylinder liner 3a to improve their supply of lubricant, such as oil.

Hierzu wird in das Werkstück 3, im vorliegenden Fall also in die Bohrung der Zylinderlaufbuchse 3a, eine Vorrichtung 5 eingefahren, welche eine Lanze 6 aufweist, welche mit mehreren Hochdruckdüsen 7 versehen ist. Vorzugsweise sind um den Umfang der Lanze 6 eine bis acht Hochdruckdüsen 7 angeordnet, über welche Hochdruckwasserstrahlen 8 in Richtung des Werkstücks 3 abgegeben werden. Insbesondere bei andersartigen Werkstücken 3 wäre auch eine noch größere Anzahl an Hochdruckdüsen 7 denkbar, die gegebenenfalls auch in mehreren Ebenen angeordnet sein könnten.This is done in the workpiece 3 , So in the present case in the bore of the cylinder liner 3a , a device 5 retracted, which is a lance 6 having, which with several high-pressure nozzles 7 is provided. Preferably, around the circumference of the lance 6 one to eight high-pressure nozzles 7 arranged over which high pressure water jets 8th in the direction of the workpiece 3 be delivered. Especially with different types of workpieces 3 would also be an even larger number of high pressure nozzles 7 conceivable, which could possibly also be arranged in several levels.

Da die Hochdruckwasserstrahlen 8 je nach Material des Werkstücks 3 mit einem Druck von 1.800 bis 3.200 bar abgegeben werden, entfernen sie Teile des Materials aus dem Werkstück 3, so dass in die Werkstück-Oberfläche 4 eine Mikrostruktur in Form von einzelnen Kapillaren 9 eingebracht werden, auf deren Form und Dimensionierung zu einem späteren Zeitpunkt näher eingegangen wird.Because the high pressure water jets 8th depending on the material of the workpiece 3 With a pressure of 1,800 to 3,200 bar, they remove parts of the material from the workpiece 3 , so in the workpiece surface 4 a microstructure in the form of individual capillaries 9 whose shape and dimensioning will be discussed in more detail later.

Wie dargestellt werden die Hochdruckwasserstrahlen 8 vorzugsweise in einer horizontalen Ebene, also 90° zur Längsachse der Lanze 6 kontinuierlich ausgegeben. Während der Bearbeitung wird die Lanze 6 mit 10 bis 1.000 U/min, insbesondere 100 bis 500 U/min rotiert. Des weiteren haben sich in der Praxis bei der Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung des Werkstücks 3 folgende Parameter als praktikabel erwiesen: ein Druck der Hochdruckwasserstrahlen 8 von 2.800 bis 3.200 bar bei einem Wasserdurchfluss von 10 bis 20 l/min oder alternativ ein Druck der Hochdruckwasserstrahlen 8 von 1.800 bis 2.200 bar bei einem Wasserdurchfluss von 25 bis 45 l/min, ein Vorschub der Lanze 6 von 5 bis 12 mm/min und ein Abstand der Hochdruckdüsen 7 von der Werkstück-Oberfläche 4 von 10 bis 15 mm.As shown, the high pressure water jets 8th preferably in a horizontal plane, ie 90 ° to the longitudinal axis of the lance 6 continuously issued. During processing, the lance becomes 6 rotated at 10 to 1,000 U / min, in particular 100 to 500 U / min. Further, in practice, when using aluminum or an aluminum alloy of the workpiece 3 the following parameters proved to be practicable: a pressure of the high-pressure water jets 8th from 2,800 to 3,200 bar at a water flow of 10 to 20 l / min or alternatively a pressure of high pressure water jets 8th from 1,800 to 2,200 bar with a water flow of 25 to 45 l / min, an advance of the lance 6 from 5 to 12 mm / min and a distance of the high-pressure nozzles 7 from the workpiece surface 4 from 10 to 15 mm.

Wenn als Grundwerkstoff des Werkstücks 3 Grauguss, eine Graugusslegierung oder Stahl verwendet wird, so kann ebenfalls ein Druck der Hochdruckwasserstrahlen 8 von 2.800 bis 3.200 bar bei einer Wasserdurchflussmenge von 10 bis 20 l/min oder ein Druck der Hochdruckwasserstrahlen 8 von 1.800 bis 2.200 bar bei einem Wasserdurchfluss von 25 bis 45 l/min angewandt werden. Im Gegensatz zu Aluminium sollte der Vorschub der Lanze 6 allerdings lediglich 0,5 bis 5 mm/min betragen, wobei der Abstand der Hochdruckdüsen 7 von der Werkstück-Oberfläche 4 ebenfalls 10 bis 15 mm betragen kann.If as the base material of the workpiece 3 Cast iron, a gray cast iron alloy or steel is used, so can also be a pressure of high pressure water jets 8th from 2,800 to 3,200 bar at a water flow rate of 10 to 20 l / min or a pressure of high-pressure water jets 8th be applied from 1,800 to 2,200 bar at a water flow of 25 to 45 l / min. Unlike aluminum, the feed should be the lance 6 however, only 0.5 to 5 mm / min, the distance between the high pressure nozzles 7 from the workpiece surface 4 may also be 10 to 15 mm.

Die 2 und 3 zeigen die mittels der Hochdruckwasserstrahlen 8 bearbeitete Zylinderlaufbuchse 3a und Beispiele für die Form der eingebrachten Kapillaren 9. Vorzugsweise weisen die gemäß einer stochastischen Verteilung angeordneten Kapillare 9 ein Verhältnis ihrer Breite b zu ihrer Tiefe t im Bereich von 1:2 bis 1:10 auf. Wenn als Material für das Werkstück 3 eine Aluminiumlegierung verwendet wird, so beträgt ihr Durchmesser bzw, ihre Breite b 10 bis 20 μm und ihre Tiefe t liegt im Mittel bei ca. 60 μm. Demgegenüber liegt der Durchmesser bzw. die Breite b der Kapillare 9 in einem Bereich von 40 bis 60 μm und die Tiefe t im Mittel bei ca. 120 μm, wenn Grauguss oder Stahl als Material für das Werkstück 3 verwendet werden. Durch die oben genannten Parameter kann die Form und Größe der Kapillare 9 in einem gewissen Maß beeinflusst werden. Die Kapillare 9 können beispielsweise in Form von Kanälen, Bohrungen oder muldenförmigen Vertiefungen in die Werkstück-Oberfläche 4 eingebracht werden. In der Ansicht gemäß 3 ist zu erkennen, dass die Kapillare 9 unabhängig von ihrer Form jeweils nicht miteinander verbunden sind.The 2 and 3 show the means of high pressure water jets 8th machined cylinder liner 3a and examples of the shape of the introduced capillaries 9 , Preferably, the arranged according to a stochastic distribution capillary 9 a ratio of their width b to their depth t in the range of 1: 2 to 1:10. When as a material for the workpiece 3 an aluminum alloy is used, so is their diameter or, their width b 10 to 20 microns and their depth t is on average about 60 microns. In contrast, the diameter or the width b of the capillary 9 in a range of 40 to 60 microns and the depth t on average at about 120 microns, if gray cast iron or steel as the material for the workpiece 3 be used. Due to the above parameters can change the shape and size of the capillary 9 be influenced to some extent. The capillary 9 For example, in the form of channels, holes or trough-shaped depressions in the workpiece surface 4 be introduced. In the view according to 3 it can be seen that the capillary 9 regardless of their shape are not connected to each other.

Gerade bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen 4a bietet es sich an, die Kapillare 9 in einem Bereich unmittelbar unterhalb eines oberen Totpunkts OT eines sich relativ zu der Zylinderlauffläche 4a bewegenden Kolbens 10 und in einem Bereich unmittelbar oberhalb eines unteren Totpunkts UT des Kolbens 10 einzubringen. Der Bereich, in dem die Kapillare 9 eingebracht sind, kann beispielsweise jeweils 10 bis 15 % der Distanz zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT betragen. Auf diese Weise verbleibt beim Einsatz der Zylinderlaufbuchse 3a das Schmiermittel, vorzugsweise Öl, insbesondere im Bereich der Umkehrpunkte des Kolbens 10, so dass gerade in diesen sowohl mechanisch als auch thermisch stark belasteten Bereichen eine verbesserte Schmierstoffversorgung gegeben ist, was zu einem geringeren Ölverbrauch und somit auch zu geringeren Emissionen der Brennkraftmaschine 1 beiträgt. Dadurch, dass die Kapillare 9 unabhängig von ihrer Form jeweils nicht miteinander verbunden sind, kann der Kolben 10 das Schmiermittel nicht zwischen den Kapillaren 9 verteilen, sodass die Kapillare 9 in idealer Weise als Schmierstofftaschen bzw. Schmierstoffreservoirs dienen und so gemeinsam mit dem tribologischen Partner, in diesem Fall dem Kolben 10, ein Druckpolster bilden können. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des Schmiermittels in den fraglichen Bereichen.Especially when machining cylinder surfaces 4a It makes sense, the capillary 9 in an area immediately below a top dead center OT of a relative to the cylinder surface 4a moving piston 10 and in a region immediately above a bottom dead center UT of the piston 10 contribute. The area where the capillary 9 may be, for example, each 10 to 15% of the distance between the top dead center OT and the bottom dead center UT. In this way remains when using the cylinder liner 3a the lubricant, preferably oil, in particular in the region of the reversal points of the piston 10 , So that especially in these mechanically and thermally heavily loaded areas improved lubricant supply is given, resulting in lower oil consumption and thus also lower emissions of the internal combustion engine 1 contributes. By doing that, the capillary 9 regardless of their form in each case not ver are tied, the piston can 10 the lubricant is not between the capillaries 9 distribute so that the capillary 9 ideally serve as lubricant pockets or lubricant reservoirs and so together with the tribological partner, in this case the piston 10 , can form a pressure pad. This ensures a uniform distribution of the lubricant in the areas in question.

Dies ist auch in dem Diagramm gemäß 4 zu erkennen, in dem die Schmierstoffverteilung, also der Verlauf der Dicke des Schmierfilms, über den Weg des Kolbens 10 zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT der Zylinderlauffläche 4a gegeben ist. Dabei zeigt die gestrichelte Linie die Verteilung gemäß dem Stand der Technik, wo zu erkennen ist, dass sich im mittleren Bereich die größte Schmiermittelmenge befindet, wohingegen an den beiden Totpunkten OT und UT sehr wenig Schmiermittel vorhanden ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch, wie die durchgezogene Linie zeigt, gerade im Bereich der beiden Totpunkte OT und UT eine gute Schmiermittelversorgung erreicht.This is also in the diagram according to 4 in which the lubricant distribution, ie the course of the thickness of the lubricating film, over the path of the piston 10 between the bottom dead center UT and the top dead center OT of the cylinder surface 4a given is. In this case, the dashed line shows the distribution according to the prior art, where it can be seen that in the central region, the largest amount of lubricant is, whereas at the two dead centers OT and UT very little lubricant is present. By means of the method according to the invention, however, as the solid line shows, a good lubricant supply is achieved precisely in the region of the two dead centers OT and UT.

Statt bei der Zylinderlauffläche 4a kann das beschriebene Verfahren beispielsweise auch bei Nockenwellen- oder Kurbelwellenlagern oder bei sonstigen Werkstück-Oberflächen 4 angewendet werden, die im Einsatz des Werkstücks 3 mit Schmiermittel versorgt werden müssen.Instead of the cylinder tread 4a The described method can also be used, for example, in camshaft or crankshaft bearings or in other workpiece surfaces 4 be applied in the use of the workpiece 3 need to be supplied with lubricant.

Claims

Method for processing workpiece surfaces which are to be supplied with lubricant when the workpiece is used, characterized in that by means of high-pressure water jets ( 8th ) Capillary ( 9 ) into the workpiece surface ( 4 ) are introduced, which when using the workpiece ( 3 ) serve as a lubricant reservoir.

A method according to claim 1, characterized in that as the workpiece surface to be machined ( 4 ) a cylinder surface ( 4a ) a cylinder liner ( 3a ) an internal combustion engine ( 1 ) is used.

Method according to claim 2, characterized in that the capillary ( 9 ) in a region immediately below a top dead center (TDC) of a relative to the cylinder surface ( 4a ) moving piston ( 10 ) are introduced.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the capillary ( 9 ) in a region immediately above a bottom dead center (UT) of a relative to the cylinder surface ( 4a ) moving piston ( 10 ) are introduced.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capillary ( 9 ) have a ratio of their width (b) to their depth (t) of 1: 2 to 1:10.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the capillary ( 9 ) have a width (b) of 10 to 60 μm.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the capillary ( 9 ) have a depth (t) of 60 to 120 μm.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the high-pressure water jets ( 8th ) by a plurality of high-pressure nozzles ( 7 ) having lance ( 6 ), whereby around the circumference of the lance ( 6 ) one to eight high-pressure nozzles ( 7 ) are arranged.

Method according to claim 8, characterized in that the lance ( 6 ) is rotated at 10 to 1000 l / min, in particular 100 to 500 l / min.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the high-pressure water jets ( 8th ) are discharged at a pressure of 1,800 to 3,200 bar.