DE19810265A1

DE19810265A1 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Zylinderlaufbuchse

Info

Publication number: DE19810265A1
Application number: DE1998110265
Authority: DE
Inventors: Bernd Stein; Wilhelm Zimmermann; Adam Zaboklicki; Juergen Zimmermann
Original assignee: Dynamit Nobel AG; Dynamit Nobel GmbH Explosivstoff und Systemtechnik
Current assignee: Dynaform 59227 Ahlen De GmbH
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-16
Also published as: JP2002505959A; WO1999046521A1; EP1062441A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Zylinderlaufbuchse (6) zum Einsatz in den Motorblock eines Verbrennungsmotors, wobei die Innenoberfläche der Zylinderlaufbuchse (6) eine Oberflächenstruktur aufweist. DOLLAR A Zur Herstellung der Zylinderlaufbuchsen in einem Arbeitsgang und der damit einhergehenden Verbilligung wird vorgeschlagen, daß die Zylinderlaufbuchse (6) mit der Oberflächenstruktur in einem Arbeitsgang mit der an sich bekannten Drückwalztechnik hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Zylinderlauf buchse zum Einsatz in den Motorblock eines Verbrennungsmotors, wobei die In nenoberfläche der Zylinderlaufbuchse eine Oberflächenstruktur aufweist.

Im Motorenbau werden zur Auskleidung von Zylindern Zylinderlaufbuchsen ("naß" oder "trocken") verwendet, die in die meist aus Gußmaterialien bestehenden Motor blöcke eingesetzt werden. Die Laufbuchsen bestehen aus verschleißfesten Materiali en und weisen zur besseren Kolbenführung und Kolbenschmierung eine besonders ausgebildete Topographie der Innenoberfläche auf. Diese Innenoberflächen werden herkömmlich durch aufwendige mechanische Bearbeitung für den Einsatz vorbereitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer metalli schen Zylinderlaufbuchse zum Einsatz in den Motorblock eines Verbrennungsmotors anzugeben, mit dem die Zylinderlaufbuchsen in einem Arbeitsgang und damit kosten günstiger hergestellt werden können. Außerdem soll die Qualität dieser Zylinderlauf buchsen zumindest vergleichbar mit der Qualität der nach dem Stand der Technik hergestellten Zylinderlaufbuchsen sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zylinderlaufbuchse mit der Oberflächenstruktur in einem Arbeitsgang mit der an sich bekannten Drückwalz technik hergestellt wird.

Die Drückwalztechnik ist beispielhaft beschrieben in der DE 24 20 014 A1 oder der WO 96/200 50. Das Drückwalzen wird in diesen Veröffentlichungen auch als Ab streckdrücken bezeichnet. In der WO 96/200 50 ist auch eingehend das Gegenlauf- Drückwalzverfahren und das Gleichlauf-Drückwalzverfahren beschrieben.

Im folgenden wird die Drückwalztechnik an Hand der Fig. 1 kurz beschrieben. Hier wird ein rohrförmiges Rohteil 1 einem rotierenden Fließpreßvorgang unterworfen. Es tritt dabei eine plastische Verformung bzw. ein punktförmiges Teigigwerden des Werkstoffs ein.

Das Rohteil 1 befindet sich auf einem drehbar angetriebenen Drückwalzdorn 2, wobei von außen eine oder mehrere Drückrollen 3a, 3b, 4a, 4b während einer Längsbewe gung gegen das Rohteil 1 anliegen. Zwischen dem Drückwalzdorn bzw. einem Um formwerkzeug und den Drückrollen 3a, 3b, 4a, 4b findet eine Fließverformung des Metalls statt, wobei die Wandstärke des Rohteils 1 verringert und seine Länge ver größert wird.

Als Rohteil eignet sich ein Rohr (mit und ohne Schweißnaht). Dabei ist es auch denk bar, daß ein Rohr als Rohteil aus mehreren unterschiedlichen Materialien hergestellt wird, die zusammengefügt werden. Darunter sind auch Vorformen zu verstehen, die innen mit einer Oberflächenschutzschicht (Verschleißschutz, Schutz gegen Hitzebe einflussungen), z. B. mit AlO₃, versehen sind. Diese Vorformen sind geeignet, die un terschiedlichen Beanspruchungen der Laufbuchse zu unterstützen. Weitere Vorfor men sind topfförmige Rohteile (z. B. Schmiede- oder Kaltumformteil) oder auch eine Ronde. Dabei wird im Falle, daß ein Rohr als Rohteil eingesetzt wird, das Gegenlauf- Drückwalzverfahren oder auch das Gleichlauf-Drückwalzverfahren eingesetzt. Bei den anderen Rohteilen wird das Gleichlauf-Drückwalzverfahren angewandt.

Während des Drückwalzprozesses legt sich das Werkstück (Rohr, topfförmiges Teil oder Ronde) unter dem Druck der äußeren Umformrollen bzw. Drückwalzrollen so an den Werkzeugdorn an, daß es innen dessen Oberflächenqualität und dessen Abmaße annimmt. So können Innenoberflächen mit einer Rauheit von Ra ≦ 0,3 µm und Innen toleranzen bis zu einer ISO-Qualität von 9-10 je nach Abmessung erreicht werden. Voraussetzung ist allerdings, daß der Werkzeugdorn bzw. der Drückwalzdorn zumin dest gleiche oder bessere Oberflächen bzw. Toleranzen aufweist.

Durch die Rückfederung des Werkstoffs nach Abschluß der Umformoperation hebt sich das Werkstück einige Mikrometer vom Drückwalzdorn ab (je nach Werkstoff und Abmessung verschieden) und kann ohne weiteres vom Drückwalzdorn entnommen werden.

Im oberen Teil der Fig. 1 ist das Gleichlauf-Drückwalzverfahren gezeigt. Mit dem Be zugszeichen 3a ist die Drückrolle zu Beginn der Umformung gezeigt, während das Bezugszeichen 3b die Drückrolle zum Ende der Umformung bzw. der Drückoperation zeigt.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist das Gegenlauf-Drückwalzverfahren gezeigt. Auch hier ist mit dem Bezugszeichen 4a die Drückrolle zu Beginn und mit dem Bezugszeichen 4b die Drückrolle zum Ende der Drückwalzoperation gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine Verdrehsicherung für das Rohteil 1 gezeigt. Diese Verdrehsicherung 5 besteht aus einer stirnseitig angeordneten Verzahnung, an die das Rohteil 1 gedrückt wird.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird auf dem Drückwalzdorn der Drück walzmaschine als Negativform ein geeigneter Schliff, z. B. ein Kreuzschliff, aufge bracht.

Zylinderlaufbuchsen weisen herkömmlicherweise innen nicht nur eine geschliffene Oberfläche auf, sondern auch z. B einen "Kreuzschliff", der die unterschiedlichen tri bologischen Beanspruchungen des Bauteils unterstützt und den Verschleiß reduziert. Erfindungsgemäß wird diese Topographie als Negativabbildung bereits auf dem Drückwalzdorn aufgebracht. Dabei weist die Oberfläche dieses Werkzeugdorns eine Güte auf, die mindestens der geforderten Innenoberflächenqualität des Werkstücks entsprechen muß.

Nach einer Drückwalzoperation hebt sich das Werkstück durch die Rückfederung des Werkstoffs einige Mikrometer ab, so daß die eingewalzte Oberflächenstruktur nach dem Abstreifen des Werkstücks vom Werkzeugdorn ohne Beschädigung erhalten bleibt.

Die im Vorhergehenden dargestellte Verfahrensweise beschreibt die Herstellung einer üblichen Zylinderlaufbuchse. Die nachfolgend beschriebene Variante mittels der Drückwalztechnik führt über die mit zerspanenden Methoden oder anderen Methoden vergleichbar möglichen Innenoberflächen zu einer neuartigen inneren Mikrooberflä che der Zylinderlaufbuchse. Diese weist besondere Schmiereigenschaften auf, indem in die Innenoberfläche der Zylinderlaufbuchse regelmäßige Erhebungen und Vertie fungen im µm-Bereich eingebracht werden.

Die so hergestellten Innenoberflächen haben besondere Eigenschaften, die die tribo logischen Aufgaben der Zylinderlaufbuchse wirksam unterstützen und stark verbes sern. Diese Innenstrukturen werden durch besondere Maßnahmen und Ausführungen an den Drückrollen sowie besondere Einstellungen der Prozeßparameter beim Drückwalzen realisiert.

Vorteilhafterweise werden zur Erreichung dieser Ziele drei Drückrollen x, y, z verwen det und folgende Prozeßparameter eingestellt:

- Umlaufgeschwindigkeit der Rollen: 80-150 mm/min.
- Vorschub der Rollen: 50-400 mm/min.
- Spalte x, y, z: 1/3 So
- Achsenversatz Wx, Wy, Wz: 1-5 mm.

Vorteilhafterweise werden diese Prozeßparameter mit den folgenden Parametern für die Drückrollen x, y, z kombiniert.

- Einlaufwinkel α
αx = 15-40°
αy = 15-30°
αz = 15-30°
- Auslaufwinkel β
βx = 3-10°
βy = 3-10°
βz = 3-10°
- Rollenradius R
Rx = 0,5-3 mm
Ry = 0,5-3 mm
Rz = 0,5-3 mm.

Diese Parameter sind natürlich auch für sich alleine genommen zweckmäßig.

In Fig. 4 sind die einzelnen Parameter wie Spalten x, y, z, Achsenversatz Wx, Wy, Wz, Einlaufwinkel α, Auslaufwinkel β und Rollenradius Rx, Ry, Rz definiert.

Die im Vorhergehenden beschriebene Methode ist geeignet, "Schmiertaschen" her zustellen, ohne daß es einer besonderen Vorbehandlung des Werkzeugdorns bedarf. Denkbar ist jedoch auch, daß auf dem Drückwalzdorn Erhebungen aufgebracht wer den, die sich beim Drückwalzen des Teils als Vertiefungen in der Innenoberfläche darstellen. Diese Vertiefungen (bzw. Erhebungen als Negativabbildung auf dem Werkzeugdorn) können sehr unterschiedlich ausgebildet sein, um den unterschiedli chen Anforderungen gerecht zu werden. Da solche Erhebungen auf dem Werk zeugdorn vorteilhafterweise nur sehr gering sind (einige µm bis max. 0,015 mm hoch), kann das Werkstück nach dem Drückwalzprozeß wegen der bereits beschriebenen Rückfederung des Werkstoffs problemlos vom Werkzeugdorn abgestreift werden, oh ne die vorher eingebrachte Innenstruktur zu zerstören.

Zum Beispiel weisen diese Erhebungen die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer rechteckigen Grundfläche auf. Es sind jedoch auch alle anderen möglichen Erhebun gen zweckmäßig.

Falls die im vorhergehenden beschriebenen Erhebungen auf dem Drückwalzdorn größer als die evtl. Rückfederung des Werkstücks sind, kann das Werkstück nach dem Drückwalzvorgang nicht mehr ohne Beschädigung oder Zerstörung der inneren Oberflächenstruktur des Werkstücks vom Werkzeugdorn abgestreift werden. In die sem Falle wird erfindungsgemäß ein Spreizdorn (mit mechanischer, hydraulischer pneumatischer oder sonstiger Spreizmethode) eingesetzt, der während der Drück walzoperation gespreizt und nach der Umformung entlastet wird. Dadurch können größere Durchmesserunterschiede überwunden werden und tiefere "Schmiertaschen", die über das Maß der Rückfederung hinausgehen, hergestellt werden, ohne daß beim Abstreifen des Teils nach der Umformoperation die gewollte Innenstruktur beschädigt wird.

Hierzu ist der Drückwalzdorn in beispielhafter Ausführungsform becherförmig ausge bildet und weist Längsschlitze auf, so daß ein in den Drückwalzdorn einschiebbarer Feststelldorn den Drückwalzdorn aufspreizen kann.

Weitere Merkmale der Erfindung zeigen die Figuren, die nachfolgend beschrieben sind. Es zeigt:

Fig. 1 das Grundprinzip der Drückwalztechnik im Gleichlauf- und Gegenlauf- Drückwalzverfahren,

Fig. 2 einen Werkzeugdorn mit angedeutetem Kreuzschliff und einen Ausschnitt aus einer Zylinderlaufbuchse mit einem Kreuzschliff auf der Innenoberfläche,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer speziellen Oberflächenstruktur einer Zylinder laufbuchse,

Fig. 4 eine Erläuterung der einzelnen Parameter wie Spalten, Achsenversatz, Ein laufwinkel, Auslaufwinkel und Rollenradius,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Drückwalzdorns mit Erhebungen und die da durch geschaffene Oberflächenstruktur der Zylinderlaufbuchse mit Schmierta schen und

Fig. 6 einen speziellen Drückwalzdorn im ungespreizten und gespreizten Zustand.

Fig. 1 ist schon in der Beschreibungseinleitung beschrieben und zeigt beispielhaft im oberen Teil das Gleichlauf-Drückwalzverfahren und im unteren Teil das Gegenlauf- Drückwalzverfahren mit einem Werkzeugdorn 2, einem Rohteil 1, Drückrollen 3a, 3b, 4a, 4b und einer Verdrehsicherung 5.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Werkzeugdorn 2 mit angedeutetem Kreuz schliff 7 auf seiner Oberfläche. Außerdem ist ein Ausschnitt aus einer mit dem ge nannten Werkzeugdorn 2 hergestellten Zylinderlaufbuchse 6 gezeigt. Diese zeigt ebenfalls einen Kreuzschliff 7. Der Kreuzschliff 7 auf dem Werkzeugdorn 2 ist dabei die Negativform des Kreuzschliffs auf der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 6.

Fig. 3 zeigt wieder eine Zylinderlaufbuchse 6 und einen vergrößerten Ausschnitt der Innenoberfläche. Die Innenoberfläche zeigt eine spezielle Oberflächenstruktur mit tropfenförmigen Erhebungen 8. Diese spezielle Oberflächenstruktur ist mit einer Kombination folgender Merkmale erzielt worden:
Umlaufgeschwindigkeit der Drückrollen 80-150 mm/min; Vorschub der Drückrollen 50-400 mm/min; Spalten x, y, z 1/3 So; Achsenversatz Wx, Wy, Wz 1-5 mm; Einlauf winkel αx = 15-40°, αy = 15-30°, αz = 15-30°; Auslaufwinkel βx = 3-10°, βy = 3-10°, βz = 3-10° und Rollenradius der Drückrollen Rx = 0,5-3 mm, Ry = 0,5-3 mm und Rz = 0,5-3 mm.

Die Höhe h dieser Erhebungen 8 liegt zwischen 4 bis 7 µm.

In Fig. 4 sind die drei Drückrollen x, y, z zur besseren Darstellung in der Zeichenebe ne dargestellt. Tatsächlich sind die drei Drückrollen x, y, z jedoch umfangsmäßig je weils um 120° versetzt. Zur besseren Darstellung ist der Achsenversatz Wx, Wy, Wz zwischen den Drückrollen x, y, z größer dargestellt als er in Wirklichkeit ist.

Die erste Drückrolle z gerät zuerst in Kontakt mit dem Werkstück. Mit einer konischen Preßfläche 18 liegt sie an dem Werkstück an. Durch axialen Vorschub wird die Wandstärke des Werkstücks durch die erste Drückrolle z, ausgehend von einer origi nalen Wandstärke So um die Dicke z reduziert. Dabei läuft die erste Drückrolle z auf schraubenförmigen Bahnen über die Oberfläche des Werkstücks. Der Vorschub und die Drehgeschwindigkeit, mit der die Drückrolle z das Werkstück umwendet, sind so zueinander abgestimmt, daß die Drückrolle z die gesamte Oberfläche des Werkstücks erfaßt. Der Einlaufwinkel αz ist der Winkel zwischen der Preßfläche 18 und der Au ßenfläche des Werkstücks. Die Preßfläche 19 der zweiten Drückrolle y weist die glei che Geometrie auf. Die Preßfläche 20 der dritten Drückrolle x verläuft unter einem Einlaufwinkel αx.

An die Preßfläche 20 schließt sich ein Übergangsbereich 21 an, der in eine Auslauf fläche 22 der Drückrolle x übergeht. Der Übergangsbereich 21 hat einen Radius Rx. Auch die erste und zweite Drückrolle z, y weisen jeweils einen Übergangsbereich mit den Radien Rz bzw. Ry auf. Die Auslaufflächen verlaufen unter einem Auslaufwinkel βx, βy, βz bezüglich der Außenwand des Werkstücks.

Die Drückrollen x, y, z haben einen unterschiedlichen radialen Abstand zu dem Form werkzeug bzw. zu dem Werkstück. Die erste Drückrolle z hat den größten Abstand, da sie das Werkstück zuerst bearbeitet. An dem auslaufseitigen Ende der Preßfläche 18 der ersten Drückrolle z ist die ursprüngliche Wandstärke So des Werkstücks um den Betrag z reduziert. In diesem radialen Abstand So-z greift nun das eingangsseitige Ende der Preßfläche 19 der zweiten Drückrolle y an. Durch die Preßfläche 19 der zweiten Drückrolle y wird die Wandstärke um den Betrag y reduziert. Die letzte Drück rolle x reduziert die Wandstärke um den Betrag x, bis die gewünschte Zielwandstärke S1 des Werkstücks erreicht ist. Die Wandstärke des Werkstücks wird also von der Ursprungswanddicke So auf die Zielwandstärke S1 reduziert. Die Wandstärkenreduk tion d setzt sich aus den Einzelreduktionen x, y, z zusammen.

Fig. 5 ist eine Prinzipdarstellung eines Drückwalzdorns 2 mit Erhebungen 8 und der dadurch geschaffenen Oberflächenstruktur der Zylinderlaufbuchse 6 mit Schmierta schen 11. Die Erhebungen 8 weisen die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer rechteckigen Grundfläche auf. Es sei betont, daß die Form der Erhebungen nur bei spielhaft ist. Es sind viele andere Formen denkbar. Zweckmäßigerweise weisen die Erhebungen 8 eine Höhe von maximal 0,015 mm auf. Dadurch läßt sich die Zylinder laufbuchse 6 nach der Bearbeitung leicht vom Drückwalzdorn 2 schieben. Die Form der Schmiertaschen 11 ist natürlich umgekehrt wie die der Erhebungen 8, so daß die Schmiertaschen 11 eine Tiefe von maximal 0,015 mm haben.

In Fig. 6 ist ein spezieller Drückwalzdorn 2 gezeigt, der spreizbar ist. Dieser Drück walzdorn 2, auch Spreizdorn genannt, kann z. B. mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch gespreizt werden und wird während des Drückwalzvorgangs gespreizt und nach der Umformung entlastet. Hierdurch kann die fertige Zylinderlaufbuchse auch vom Drückdorn 2 geschoben werden, wenn die Höhe der Erhebungen größer als z. B. 0,015 mm ist.

Im oberen Teil der Fig. 6 ist der Drückwalzdorn 2 im nicht gespreizten Zustand ge zeigt. Der Drückwalzdorn 2 ist becherförmig ausgebildet und weist Längsschlitze 9 auf. Der untere Teil der Fig. 6 zeigt diesen Drückwalzdorn 2 gespreizt. Hierzu wird ein Feststelldorn 10 eingeschoben, der geringfügig dicker als der becherförmige Hohl raum im Drückwalzdorn 2 ist. Hierdurch werden die einzelnen durch die Längsschlitze 9 getrennten Teile gespreizt. Die Außenfläche dieses Drückwalzdorns 2 ist, wie vor her beschrieben, mit der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur versehen.

Mit α ist der Spreizwinkel bezeichnet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Zylinderlaufbuchse (6) zum Einsatz in den Motorblock eines Verbrennungsmotors, wobei die Innenoberfläche der Zylinderlaufbuchse (6) eine Oberflächenstruktur aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (6) mit der Oberflächenstruktur in einem Arbeitsgang mit der an sich bekannten Drückwalztechnik hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drück walzdorn (2) der Drückwalzmaschine als Negativform ein geeigneter Schliff, z. B. ein Kreuzschliff (7) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Drückrollen (x, y, z) verwendet und folgende Prozeßparameter beim Drückwalzen eingestellt werden:

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Parameter der Drückrollen (x, y, z) eingestellt werden:

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drück walzdorn (2) der Drückwalzmaschine Erhebungen (8) aufgebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (8) auf dem Drückwalzdorn (2) bzw. Vertiefungen in der Zylinderlaufbuchse (6) eine Höhe von maximal 0,015 mm aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drück walzdorn (2) als Spreizdorn ausgebildet wird, der z. B. mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch spreizbar ist und während des Drückwalzvorgangs gespreizt und nach der Umformung entlastet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drückwalzdorn (2) becherförmig ausgebildet ist und Längsschlitze (9) aufweist, so daß ein in den Drückwalzdorn (2) einschiebbarer Feststelldorn (10) den Drückwalzdorn (2) aufspreizen kann.