DE10019086A1 - Honwerkzeug zum Bearbeiten von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Honwerkzeug zum Bearbeiten von Oberflächen vorgeschlagen, das mindestens eine Leiste aufweist, die auf die zu bearbeitende Oberfläche mit Vorspannung gedrückt wird und auf kinematisch definierten Bahnen über die Oberfläche bewegt wird. Die Leiste weist einen mit sich wiederholenden Strukturelementen versehenen Grundkörper aus, wobei die Strukturelemente in Richtung der kinematisch definierten Bahnen hintereinander liegend angeordnet sind. Auf den Grundkörper ist eine polykristalline Diamantschicht abgeschieden. Die Strukturelemente des Grundkörpers geben die Form und den Abstand der Riefentextur vor und die Diamantschicht führt die Zerspanung durch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Honwerkzeug zum Bearbeiten von Oberflächen.

Bei dem Fertigungsverfahren Honen werden zylindrische Innen- oder Außenflächen oder Planflächen mit einem Honwerkzeug bearbeitet, das ein oder mehrere mit ge­ bundenen Hartstoffkörnern versehene Honleisten auf­ weist. Die Honleisten werden mit Vorspannung auf die zu bearbeitenden Oberfläche gedrückt und auf kinema­ tisch definierten Bahnen über die Oberfläche bewegt. Die kinematische Bewegung besteht aus einer Drehbewe­ gung, die durch das Werkzeug oder durch das Werkstück ausgeführt wird, und einer reversierenden Axialbewe­ gung, die von dem Werkzeug ausgeführt wird. Durch die Überlagerung der beiden Bewegungsanteile entstehen für das Honen charakteristische gekreuzte Muster auf der Oberfläche. Beim Langhubhonen bewegt sich das Werkzeug bei einer vollständigen Hubbewegung über mindestens die gesamte Werkstückbreite, während beim Kurzhubhonen das Werkzeug nur kurze Oszillationsbewe­ gungen ausführt, wobei es zusätzlich in einer langsa­ meren Bewegung von einer Seite des Werkstückes zur anderen verschoben wird.

Ziel des Honens sind die Verringerung der Formabwei­ chungen und die Veränderung der Rauheitsausprägung, z. B. Verringerung der Rauhtiefe oder Erhöhung des Traganteils, zur Veränderung des tribologischen Ver­ haltens der Oberfläche. Von besonderer Bedeutung ist das Honen zur Endbearbeitung der Kolbenlaufbahnen von Zylinderkurbelgehäusen für Verbrennungsmotoren. Die wichtigsten Motoreigenschaften, wie Ölverbrauch, Wir­ kungsgrad, Schadstoffausstoß, Lebensdauer, Geräusch und Verschleiß werden durch die Ausprägung der Rauh­ heit der Kolbenlaufbahn beeinflußt. Dabei kommt es neben Traganteil, Riefentiefe oder Spitzenhöhe als Kenngrößen besonders auf die Form, Verteilung und Kreuzwinkel der Riefen an, die in der Regel gezielt eingebracht werden und als Schmiermittelreservoir dienen.

Im Allgemeinen werden Honleisten mit gebundenen Schneidkörner eingesetzt, bei denen die Schneidkör­ ner, bedingt durch das Honleistenherstellungsverfah­ ren, stochastisch verteilt sind. Dies bezieht sich sowohl auf die Flächenverteilungsdichte der Körner, d. h. den Abstand zwischen den Körnern als auch auf den Kornüberstand. Weiterhin sind die überwiegend eingesetzten Körner aus Mahlfraktionen gesiebt und sind dementsprechend unterschiedlich in ihrer Form und Größe. Die mit solchen Honleisten nach dem Stand der Technik erzeugten Riefen sind somit in Abstand, Form und Tiefe ebenfalls stochastisch verteilt.

Zur Vorgabe eines bestimmten tribologischen Verhal­ tens ist es wünschenswert, Form, Tiefe und Abstand der Riefen gezielt einstellen zu können, um die je­ weils gewünschten unterschiedlichen tribologischen Anforderungen erfüllen zu können. Dies ist bei den oben beschriebenen Honleisten aufgrund der stochasti­ schen Vorgänge bei der Korn- und Honleistenherstel­ lung nur begrenzt möglich.

Es ist ein Honverfahren bekannt, bei dem mit einem Laserstrahl die Oberfläche mit Riefen in definierten Abständen versehen wird. Bei diesem Verfahren können jedoch die Form und die Tiefe der Riefen aufgrund der komplexen Verdampfungs- und Schmelzvorgänge nur ein­ geschränkt eingestellt werden. Außerdem muß bei die­ sem Verfahren in der Regel eine Nachbearbeitung durchgeführt werden, da neben den eingebrachten Rie­ fen Grate von aufgeschmolzenem Material stehen blei­ ben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Honwerkzeug zu schaffen, mit dem die Form und Tiefe der Honriefentextur entsprechend den unterschiedli­ chen tribologischen Belastungen gezielt vorgebbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch daß der Grundkörper des Honwerkzeugs bzw. der Honleiste mindestens ein Strukturelement umfasst, und eine polykristalline Diamantschicht auf den Grundkör­ per mit dem mindestens einen Strukturelement abge­ schieden ist, kann eine Honriefentextur gezielt vor­ gegeben werden, die jeweils funktionsoptimierte Rau­ heitsausprägungen und Kanalsysteme schafft, die z. B. helfen, Verschleiß, Reibung und Dichtungsleckstrom bei Verbrennungsmotoren bei gleichzeitig ausreichen­ der Schmierung der Gleitflächen zu reduzieren. Dabei gibt das mindestens eine Strukturelement die Form der Riefentextur vor und die polykristalline Diamantbe­ schichtung, die eine Vielzahl von Diamantkristallen aufweist, übernimmt die eigentliche Zerspanungsaufga­ be, da die scharfen Kanten der Diamantkristalle gute Zerspanungseigenschaften besitzen. Grundsätzlich ist bei dem erfindungsgemäßen Honwerkzeug die gewünschte Form der in die Oberfläche einzubringenden Textur in negativer Form in dem Honleistengrundkörper abgebil­ det.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind weitere vorteilhafte Weiterbildung und Ver­ besserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß mindestens zwei, vorzugsweise mehr Strukturelemente vorgesehen sind, die in Richtung der kinematisch de­ finierten Bahnen hintereinander und/oder nebeneinan­ der liegend angeordnet sind, wodurch der Abstand der Riefen vorgebbar ist.

Erfindungsgemäß wird ein Honwerkzeug mit geometrisch definierten Schneidkanten erhalten, um geometrisch definierte Texturen erzeugen zu können. Bisher wird in der Fachwelt angenommen, daß beim Honen nur Hon­ leisten mit stochastischer Schneidkornverteilung und -geometrie eingesetzt werden können. Im Gegensatz da­ zu hat sich erfindungsgemäß gezeigt, daß durch die Formgebung der Honleistung deren Struktur beim Honen in umgekehrter Form in die Werkstückoberfläche über­ tragen wird. Durch die Form und den Abstand der Strukturelemente der Honleisten kann so die Form und der Abstand der Honriefen eingestellt werden, die Tiefe der Riefe wird im Wesentlichen durch die Wahl des Anpreßdrucks eingestellt. Da die Strukturelemente geometrisch definiert sind, ist ein einheitliche Form, ein gleichmäßiger Abstand und eine konstante Tiefe der Texturriefen die Folge.

Bei bekannten Honleisten wird eine einzelne Riefe durch jeweils ein einzelnes Schneidkorn erzeugt. Es ist somit der gleiche Werkzeugbestandteil, der die Riefenform vorgibt und die eigentliche Zerspanung ausführt, so daß Zerspanung und Riefenform miteinan­ der gekoppelt sind. Wenn z. B. für eine günstigere Zerspanung die Korngröße erhöht wird, wird automa­ tisch die Riefenbreite und -tiefe vergrößert. Eine getrennte Optimierung ist so im Stand der Technik nicht möglich. Aufgrund der erfindungsgemäßen Tren­ nung bei den diamantbeschichteten Honleisten hin­ sichtlich Zerspanung und Riefenform, ist es möglich, die beiden Faktoren Zerspanung und Riefenform völlig getrennt zu optimieren. Dabei wird die Zerspanung ei­ nerseits durch die Kristallkanten ausgeführt und die Riefenform entsteht andererseits durch die Form der Strukturelemente, auf die die Diamantschicht aufge­ bracht ist. Die Größe und Form der Diamantkristalle läßt sich nahezu vollkommen unabhängig von der Grund­ körpergeometrie durch die Wahl der Beschichtungspara­ meter einstellen.

Dadurch, daß mehrere Strukturelemente in Bewegungs­ richtung sich wiederholend hintereinander liegen, können beim Verschleiß der in Bewegungsrichtung vorne liegenden, Riefen erzeugenden Strukturelemente die dahinter liegenden, unverschlissenen Strukturelemente die Funktion der Zerspanung übernehmen, so daß die erzeugte Rauhheitsausprägung stets in hohem Maße kon­ stant bleibt. Auf diese Weise wird außerdem die Standzeit des Werkzeuges optimiert, da die Zerspa­ nungsleistung auf alle Strukturelemente und damit auf alle darauf befindlichen Kristallkanten aufgeteilt wird.

Weiterhin vorteilhaft ist, daß die Kristallkanten der polykristallinen Diamantschicht eine bessere Qualität aufweisen als die Kanten der Schneidkörner, die bei bekannten Honleisten nach dem Stand der Technik ein­ gesetzt werden. Diese werden im Allgemeinen durch Brechen auf die gewünschte Größe gebracht, so daß die Kanten der Körner unregelmäßig und meist stumpf sind. Bei der Zerspanung entstehen so stark negative und ungleichmäßige Spanwinkel, die zu hohen Zerspanungs­ kräften und schlechter Prozeßsicherheit führen kön­ nen. Die CVD-Diamantkristalle nach der Erfindung sind einheitlich scharfkantig und weisen alle eine ähnli­ che und Form und Orientierung auf, so daß die Span­ winkel gleichmäßiger und nicht so stark negativ sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine bei dem erfindungsge­ mäßen Honwerkzeug eingesetzten Honleiste (a) sowie auf einen Ausschnitt der Strukturele­ mente (b),

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Leiste in Bewe­ gungsrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 Teilschnitte durch die Leiste mit unter­ schiedlichen Formen der Strukturelemente,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine im Einsatz be­ findliche Honleiste, und

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Diamantbeschichtung zur Darstellung der Zer­ spanungswinkel.

In Fig. 1 ist eine Honleiste 1 dargestellt, die an einem Werkzeugträger allein oder zusammen mit mehre­ ren Leisten zur Bildung eines Honwerkzeugs befestigt ist. Die Honleiste 1 weist einen Grundkörper 2, z. B. aus Keramik auf (siehe auch Fig. 2), der mit Struktur­ elementen 3 versehen ist. Diese Strukturelemente 3 sind Erhebungen und Vertiefungen bestimmter Form und werden in den Grundkörper 2 z. B. eingeschliffen. Die Strukturelemente 3, die in einer Ausführungsform ge­ nauer in Fig. 1b zu sehen sind, sind vielfach in identischer Geometrie in die Honleiste 1 eingebracht und sind so schräg auf der Honleiste 1 angeordnet, daß bei passenden kinematischen Verhältnissen des Honvorganges eine Reihe von Strukturelementen in Be­ wegungsrichtung hintereinander liegen. Die Bewegungs­ richtung ist in der Fig. 1 mit 4, 4' bezeichnet, wo­ bei sie sich abhängig von dem Honwinkel ändert, der im Ausführungsbeispiel 90° beträgt und der sich durqh das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zu Axialge­ schwindigkeit des Werkstücks bzw. der Honleiste er­ gibt.

Die Strukturelemente 3 nach Fig. 1b sind pyramiden­ förmig bzw. pyramidenstumpfförmig, wobei die Pyrami­ den bzw. Pyramidenstümpfe direkt nebeneinander lie­ gen, so daß sie in Bewegungsrichtung 4, 4' jeweils schräge Reihen bilden. Pro Strukturelementreihe ent­ steht genau eine Riefe in der Werkstückoberfläche, wobei sich der Abstand der Riefen aus dem Abstand der Strukturelemente auf der Honleiste sowie aus dem Hon­ winkel 5 ergibt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b sind die Abstände der Erhebungen der Strukturelemente 3 in Richtung 4 unterschiedlich zu den Abständen der Erhebungen in Richtung 4'. Die Abstände bzw. die Rie­ fentextur ist vorgegeben und die Erhebungen werden in entsprechender Weise ausgearbeitet.

Der Grundkörper 2 mit den geschliffenen Strukturele­ menten 3 ist entsprechend Fig. 2 mit einer polykri­ stallinen Diamantschicht 6 versehen, die mit dem CVD- Verfahren abgeschieden wird. Die Größe und Form der Diamantkristalle der Diamantschicht 6 sowie die Schichtdicke lassen sich durch die Wahl der Beschich­ tungsparameter während des CVD-Verfahrens einstellen. Beispielsweise steigt die Kristallgröße mit steigen­ der Temperatur und/oder sinkendem Methangehalt.

In den Fig. 2 und 3 sind unterschiedliche Formen der Strukturelemente dargestellt, die je nach gewünschter Riefentextur eingebracht werden.

In Fig. 4 ist ein Teilschnitt der Honleiste 1 in Be­ wegungsrichtung 4, 4' dargestellt, und es ist zu er­ kennen, daß die Diamantschicht 6 des in Bewegungs­ richtung 4, 4' ersten Strukturelementes 3' schon ver­ schlissen ist. In diesem Falle übernimmt aber die Diamantschicht 6 der jeweils dahinter liegenden Strukturelemente 3 die Zerspanung, so daß die Riefen­ ausprägung gleichbleibt und die Zerspanung weiter­ läuft.

Fig. 5 zeigt die Diamantschicht 6 in vergrößerter Darstellung. Daraus ist zu erkennen, daß die CVD- Diamantkristalle 7 einheitlich scharfkantig sind und im Wesentlichen die gleiche Form aufweisen, wodurch der Spanwinkel γ gleichmäßig ist und in einer Größe liegt, die gutes Zerspanen ermöglicht.

In den drei beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde für den Grundkörper Keramik verwendet. Es sind jedoch auch andere Werkstoffe anwendbar, die sich diamantbe­ schichten lassen, z. B. Hartmetall wie gesintertes Wolframkarbid, Silizium, Graphit, Metalle. Dabei kön­ nen die Strukturelemente in den unterschiedlichsten Fertigungsverfahren eingebracht werden z. B. durch Fräsen oder Drehen, Gießen oder Sintern, Schmieden, Prägen oder Walzen. Weiterhin sind in den obigen Aus­ führungsbeispielen die Strukturelemente hinter- und nebeneinander angeordnet. Es ist auch möglich, die Strukturelemente in einer geraden Reihe anzuordnen, wodurch das Problem nicht besteht, daß die Struktur­ elemente in beiden Bewegungsrichtungen hintereinan­ der liegen müssen. Dadurch können beliebige Honwinkel realisiert werden, jedoch mit dem Nachteil, daß stumpfe Kristalle nicht durch diejenigen anderer Strukturelemente ersetzt werden können. Denkbar ist auch die Verwendung nur eines Strukturelementes.

Beispiel

Es wurde ein Texturhonwerkzeug hergestellt, das pyra­ midenförmige Erhebungen entsprechend Fig. 1 aufwies. Diese Pyramidenspitzen sollten sich beim Honen in der Werkstückoberfläche abbilden und auf diese Weise V- förmige Riefen erzeugen. Für die Honleisten wurden aus Siliziumnitridkeramik 4 mm mal 60 mm große Grund­ körper 2 mit den Pyramidenstrukturen geschliffen. Die Pyramiden wiesen laterale Abmessungen von 0,8 mm mal 1 mm und Höhen von 0,3 mm auf. Das Spitzenplateau hatte Abmessungen von 0,08 mm mal 0,1 mm. Der Grund­ körper 2 wurde anschließend mit einem Hot-Filament- CVD-Verfahren mit Diamant beschichtet. Die Schicht­ dicke betrug ca. 15 bis 20 µm, die Kristallgrößen ca. 6 bis 8 µm.

Vier dieser diamantbeschichteten Texturhonleisten wurden in ein Honwerkzeug eingebaut und damit Buchsen mit einem Innendurchmesser 30 mm gehont. Als Werk­ stoffe wurden GGG60 und ZrO₂-Keramik verwendet. Die Buchsen waren vorher feingehont mit einer konventio­ nellen Honleistenspezifikation mit einer D10-Körnung. Die Schnittgeschwindigkeit betrug ca. 30 m/min. der Honwinkel 90°. Es wurde nur ein Hub mit einer Ab­ wärts- und einer Aufwärtsbewegung durchgeführt.

Es entstanden beim Texturhonen gekreuzte V-förmige Riefen mit exakt gleichen Abständen. Querschnittsform und Tiefe der Riefen waren bei dem Keramikwerkstück sehr konstant. Beim Graugußwerkstück kam es zu leich­ ten Aufwerfungen an den Rändern der Riefen, die Rie­ fen waren insgesamt weniger gleichmäßig in Quer­ schnitt und Tiefe als beim Keramikwerkstück.

Die für die tribologischen Eigenschaften maßgeblichen Rauhheitsparameter waren wie folgt (Angaben in µm):

Die für eine hohe Tragfähigkeit entscheidende Kern­ rauhtiefe R_k war bei beiden Werkstoffen sehr niedrig. Sie betrug nur 8,9% der Gesamtrauhtiefe beim Grauguß bzw. 2,9% bei der Keramik im Gegensatz zu 51% beim konventionellen Feinhonen. Das Verhältnis Riefentiefe zu restlicher Rauhtiefe, das für die Schmierstoffauf­ nahme wichtig ist, war bei der Keramik mit 4,6 sehr hoch und bei Grauguß mit 1,2 noch leicht größer als 1. Beim konventionellen Honen lag dieser Faktor nur bei 0,29, d. h., daß die Riefen deutlich kleiner sind als die restliche Rauhtiefe.

Es wurden somit mit dem erfindungsgemäßen Texturhon­ werkzeug deutlich günstigere Oberflächentopographien erzeugt als mit einer konventionellen Honleiste, was günstigere tribologische Eigenschaften der bearbeite­ ten Werkstücke für eine Anwendung als Kolbenlaufbah­ nen von Zylinderkurbelgehäusen erwarten läßt.

Claims (10)

1. Honwerkzeug zum Bearbeiten von Oberflächen mit mindestens einer Leiste, die auf die zu bearbei­ tende Oberfläche mit Vorspannung drückbar ist und auf kinematisch definierten Bahnen über die Oberfläche bewegbar ist, wobei die Leiste einen mit Zerspanungselementen versehenen Grundkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper mindestens ein Strukturele­ ment (3) aufweist, und daß eine polykristalline Diamantschicht (6) auf dem Grundkörper (2) mit dem Strukturelementen (3) abgeschieden ist, wo­ bei das mindestens eine Strukturelement (3) die Form einer zu erzeugenden Riefentextur vorgibt und die Diamantschicht die Zerspanung durch­ führt.

2. Honwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei sich wiederholende Strukturelemente (3) vorgesehen sind, die in Richtung (4, 4') der kinematisch definierten Bahnen hintereinander und/oder nebeneinander liegend angeordnet sind.

3. Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Tiefe der Riefentextur durch den Anpreßdruck der Leiste auf die Ober­ fläche bestimmbar ist.

4. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (3) als ein sich in Richtung (4, 4') der und/oder senkrecht zu den Bahnen wiederholendes Muster aus Erhöhungen und Vertiefungen ausgebil­ det ist.

5. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (3) als pyramiden-, pyramidenstumpf-, kegel-, kegelstumpfförmige Erhebungen oder dergleichen ausgebildet sind, die direkt oder mit Abstand hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind.

6. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) aus einer Keramik besteht.

7. Honwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper aus Siliziumni­ tridkeramik besteht.

6. Verfahren zum Herstellen einer in einem Honwerk­ zeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwende­ ten Leiste, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Grundkörper aus Keramik die Strukturelemente ge­ schliffen werden und der mit mindestens einem Strukturelementen versehene Grundkörper mit ei­ nem CVD-Verfahren mit Diamant beschichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß als CVD-Verfahren das Hot-Filament-CVD- Verfahren verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kristallgröße der Diamant­ schicht durch die Beschichtungsparameter einge­ stellt werden.