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WO2008052653A1 - Verfahren und elektrode zur herstellung einer radialen lagerfläche sowie pleuel - Google Patents

Verfahren und elektrode zur herstellung einer radialen lagerfläche sowie pleuel Download PDF

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Publication number
WO2008052653A1
WO2008052653A1 PCT/EP2007/008988 EP2007008988W WO2008052653A1 WO 2008052653 A1 WO2008052653 A1 WO 2008052653A1 EP 2007008988 W EP2007008988 W EP 2007008988W WO 2008052653 A1 WO2008052653 A1 WO 2008052653A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing surface
connecting rod
bearing
machining
electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2007/008988
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Martin Erdmann
Wolfgang Hansen
Martin Hartweg
Karl Holdik
Thomas Kränzler
Volker Lagemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Priority to US12/443,711 priority patent/US20100043742A1/en
Publication of WO2008052653A1 publication Critical patent/WO2008052653A1/de
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    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/50—Crowning, e.g. crowning height or crowning radius

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a substantially cylindrical bearing surface of a radial shaft bearing in electrically conductive material, an electrode for the electrochemical production of a bearing surface of a radial shaft bearing and a connecting rod for use in machines.
  • connecting rod bearings i.
  • the bearing surfaces of the radial bearing, a connecting rod shaft are exposed to very high stress.
  • the load capacity and life of the connecting rod bearings are essential for the function and life of a machine.
  • the object with regard to the method to be specified is achieved according to the invention in that the surface contour of the bearing surface is processed electrochemically in a subsequent second processing step to produce a radial shaft bearing in electrically conductive material, wherein the surface contour of the bearing surface is machined in a first processing step.
  • the advantage of this invention is that by means of the subsequent electrochemical machining a bearing surface is produced which is geometrically highly accurate and has a more wear-resistant surface finish.
  • a bearing surface for a radial shaft bearing is produced, which is higher loadable in the operating condition and a higher Wear resistance and thus generally has an increased life.
  • the method according to the invention has a conventional mechanical, preferably machining, machining, in particular by drilling, of the bearing surface to be machined. It should be noted, however, that with regard to the geometrical final contour to be produced, the geometric machining dimension for the mechanical machining can be reduced by the amount of the machining dimension of the subsequent electrochemical machining, i. whose material removal, must be corrected.
  • the mechanically pre-machined surface contour of the bearing surface is further processed by means of an electrochemical machining process.
  • electrochemical machining ECM - ElectroChemical Machining
  • PECM - Pulsed ElectroChemical Machining pulsed electrochemical machining
  • an electrical voltage is applied between the machining tool and the object to be machined, wherein the machining object is connected as the anode and the machining tool as the cathode.
  • an existing gap preferably smaller as lmm, rinsed between tool (cathode) and object (anode) with a conventional electrolyte solution.
  • the material removal on the processing object is thus electrochemical and the dissolved material is rinsed out as metal hydroxide from the electrolyte solution from the processing zone.
  • the PECM method has a much smaller gap width between tool and object, preferably a gap width of 0.01 to 0.2 mm, and therefore has a much higher machining accuracy than the ECM method.
  • Another characteristic feature of the PECM process is that the machining current is not permanently applied, as in the case of the ECM process, but is supplied as pulsed current.
  • the process of electrochemical machining is further characterized by high process stability.
  • the shape of the tool electrode is transferred very precisely and with high precision to the electrically conductive material to be processed.
  • the shape of the tool electrode is to be designed depending on the processing geometry to be produced.
  • a conventional electrode structure is used, which has a specific geometric design designed for the geometry to be produced, for example the exact diameter of a bearing surface to be produced.
  • a further advantage is that in the method according to the invention in the electrochemical machining takes place only a minimal material removal of less than 1 mm, preferably in the range of 0.005 ⁇ un to 0.1mm. Furthermore, the removal of material, ie the removal rate in the electrochemical machining, is controlled directly by the voltage applied in the process and / or by the conductivity of the electrolyte solution, so that thereby the economy of the method according to the invention adapted by short cycle times at the same time very high surface quality of the machined surface can be. That is, for a higher material thickness to be removed, an electrolyte solution with a higher conductivity, ie, an increased salt content, must be selected and / or the applied voltage must be increased.
  • the electrochemical machining of bearing surfaces in particular of connecting rod bearings is thus economical for mass production.
  • the processing time is reduced depending on the material removal to a cycle time of a few seconds, preferably at a material removal of 0.1 mm to less than 10 sec. By parallel processing of several components, this cycle time can be further reduced.
  • this is further advantageously increased particularly by the PECM method, whereby a high surface quality in the range of surface roughness R z is achieved smaller than 5 .mu.m, preferably R z in the range of 0.5 .mu.m to 2 .mu.m.
  • R z in comparison to conventional mechanical processing, a surface is produced which is much more uniform and smoothed and thus has a higher wear resistance.
  • a further advantage of the PECM method is that a correspondingly precise design of the electrode enables highly precise and precise machining with structuring of the processing surface, for example microstructuring in the form of micro-lubricant pockets or defined aligned micro-grooves, whereby the wear resistance and load capacity of the bearing surface is further increased.
  • the surface contour of the bearing surface is machined in its cross section geometrically non-round.
  • the advantage here is that are reduced by the machining in cross section geometrically non-circular processing of the surface contour of the bearing surface by means of an electrochemical machining process distortion of the bearing surface in the loading state due to deformation of the bearing surface.
  • the load capacity and wear resistance of the bearing surface are further increased advantageous.
  • Processing geometry are not rotationally symmetrical geometries with respect to the geometric center of a radial bearing to understand in cross section. For example, this is to be understood as an elliptical, that is to say ovalized, machining geometry of the bearing surface. Such machining can not be produced at least with reasonable effort with conventional mechanical processing, and this is processed in a simple manner by electrochemical machining by appropriate design of the electrode.
  • the advantage of an ovalized machining geometry, especially in conrod bearings, is that the connecting rod eye is machined in such a way that it has a substantially rotationally symmetrical circular geometry in the loaded state, ie in the deformed state as a result of defined acting forces.
  • the ovalized machining ensures a connecting rod bearing or a bearing surface, which has a considerably higher load capacity and at the same time an increased
  • the respective configuration of the ovalized bearing surface is dependent on the bearing forces occurring in the load case, however, the difference of the major and minor axis of such an oval machining geometry is smaller in absolute terms than lOO ⁇ m, preferably in the range of 0.5 .mu.m to lO ⁇ m.
  • a further increase in the load capacity and wear resistance of the bearing surface is achieved when the bearing surface is machined in its width spherical. That is, by a particular convex bearing surface tilting of the bearing surface relative to the bearing seat of the shaft to be stored compared to a conventional plane-parallel configuration of bearing seat of the shaft and bearing surface is significantly better tolerable. In conventional plane-parallel configuration, a tilting in the edge region of the bearing surface leads to a solid contact of the bearing surface and the bearing seat, resulting in increased wear the bearing surface and the bearing seat results, ie a much shorter life. At spherical machining of the bearing surface tilting leads much later to such solid contact of bearing surface and bearing seat.
  • the degree of spherical machining is in the range of a few microns to lOO ⁇ m, preferably l ⁇ m to lO ⁇ m to produce. Such machining can not be produced at least with reasonable effort with conventional mechanical processing, and this is processed in a simple manner by electrochemical machining by appropriate design of the electrode.
  • a further increase in the load capacity and the wear resistance of bearing surfaces for a radial shaft bearing is achieved when the solution according to the invention described above is combined with known coatings for storage areas such as three-level bearings for connecting rod bearings.
  • the bearing surface is coated after the mechanical processing with an electrically conductive layer system and subsequently this is processed electrochemically according to the inventive method described above.
  • a further advantage is that the electrochemical machining for electrically conductive materials is a material-independent machining process.
  • it is also possible to process electrically conductive materials which can only be processed insufficiently or at high cost on the final contour by pure mechanical processing, for example very difficult to machine modern iron casting alloys such as vermicular graphite cast iron (GGV) or bainitic cast iron with ductile iron (ADI - Austempered Ductile Iron ).
  • GGV vermicular graphite cast iron
  • ADI - Austempered Ductile Iron ductile iron
  • the method according to the invention thus also makes possible a use of these materials for connecting rods, for example, and a process-reliable and highly accurate machining of such materials at the same time ensuring improved cost-effectiveness of processing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a side view, not to scale, of a connecting rod (1) according to the invention of an internal combustion engine.
  • the oval configuration of the bearing surface (5) of the larger connecting rod bearing (2) has been shown exaggerated.
  • Figure 2 is a view of the connecting rod bearing (2) along the section A-A according to Fig.l. Again, the convex configuration of the bearing surface (5) of the larger connecting rod bearing (2) was shown exaggerated for better understanding.
  • connecting rods (1) cast from near-net shape are machined from the material ADI by means of the method according to the invention.
  • the connecting rods of the connecting rod bearings (2, 3) of the castings are machined mechanically by drilling. Subsequently, the mechanically machined surfaces of the connecting rod bearings (2, 3) are thermally coated in an automated process with a 0.5 mm thick, wear-resistant layer by means of plasma spraying.
  • the final machining of the connecting rod bearings (2, 3) takes place by means of PECM.
  • the electrochemical machining takes place on one conventional device not further described here for PECM machining.
  • the connecting means required for the processing for receiving the electrodes, the power supply, for the defined positioning of the connecting rods relative to the electrodes and for further process control are not explained here in detail, but of course are available.
  • an electrode which has a height of 30 mm and an oval basic shape, wherein the difference of the main axis b and minor axis a amount l ⁇ m and is constant over the height of the electrode.
  • the oval basic shape is variable over the height of the electrode, so that the electrode has a concave, spherical shape with respect to their height.
  • the outer edges of the spherical shape are curved by the amount c of 2 microns to the outside.
  • a circular electrode having a height of 30 mm and whose diameter is variable over the height of the electrode is used so that the electrode has a concave, crowned shape with respect to its height.
  • the outer edges of the spherical shape are also arched by the amount c of 2 microns to the outside.
  • the electrodes described during PECM machining on a connecting rod (1) produce the desired crowned, convex shape over the width of the bearing surfaces (5) of the plain bearings (2, 3) and the ovalized machining geometry on the bearing surface (5). of the larger connecting rod bearing (2).
  • the electrodes deburr and round the connecting rod bearings defined.
  • the four connecting rods (1) are defined in the device and clamped so that a fixed positioning of the connecting rods (1) relative to the electrodes is ensured.
  • a smaller connecting rod bearing (3) encloses concentrically a described circular electrode, so that there is a circumferentially constant working gap of about 0.1 mm.
  • a larger connecting rod bearing (2) encloses a previously described ovalized electrode, so that the minor axis a of the later ovalized machining geometries in the direction of the connecting rod shaft (4), ie on the connecting line of the centers of the connecting rod bearings (2, 3).
  • the process takes place fully automated, so that after completion of the PECM machining the machined connecting rods (1) are automatically removed from the device and more newly machined connecting rods are inserted into the device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerfläche (5) einer radialen Wellenlagerung in elektrisch leitfähigem Material, wobei die Kontur der Lagerfläche (5) in einem ersten Bearbeitungsschritt zerspanend bearbeitet wird die Lagerfläche (5) in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt elektrochemisch bearbeitet wird. Weiterhin werden eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung und ein Pleuel (1) für den Einsatz in Maschinen angegeben.

Description

VERFAHREN UND ELEKTRODE ZUR HERSTELLUNG EINER RADIALEN LAGERFLACHE SOWIE PLEUEL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen zylinderförmigen Lagerfläche einer radialen Wellenlagerung in elektrisch leitfähigem Material, eine Elektrode zur elektrochemischen Herstellung einer Lagerfläche einer radialen Wellenlagerung sowie ein Pleuel zum Einsatz in Maschinen.
Bei der Umwandlung translatorischer Bewegungen in rotatorische Bewegungen werden in Maschinen in großem Umfang Pleuel eingesetzt. Die Pleuellager, d.h. die Lagerflächen der radialen Lager, eines Pleuelschaftes sind dabei sehr hoher Belastung ausgesetzt. Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen, hier vor allem im Kraftfahrzeugbau, sind die Belastbarkeit und die Lebensdauer der Pleuellager wesentlich für die Funktion und die Lebensdauer einer Maschine.
Aus der DE 40 17 215 C2 ist eine Vorrichtung zum elektrochemischen Entgraten von Kanten von Pleuelaugen bekannt. Dabei werden die durch das Bohren der so genannten Pleuelaugen, d.h. der Pleuellagerflächen, im Pleuelschaft entstehenden Grate elektrochemisch bearbeitet. Nachteilig ist dabei allerdings weiterhin, dass die Pleuellagerflächen an sich hierdurch keine Steigerung der Belastbarkeit und somit auch eine Erhöhung der Lebensdauern erfahren. Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von höher belastbaren Pleuel anzugeben, eine Elektrode dazu anzugeben sowie ein Pleuel, welches eine höhere Belastung und gleichzeitig eine erhöhte Lebensdauer ermöglicht, anzugeben.
Die Aufgabe in Bezug auf das anzugebende Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen zylinderförmigen Lagerfläche einer radialen Wellenlagerung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. In Bezug auf die anzugebende Elektrode wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst. Ferner wird die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Pleuels durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Herstellung einer radialen Wellenlagerung in elektrisch leitfähigem Material, wobei in einem ersten Bearbeitungsschritt die Oberflächenkontur der Lagerfläche zerspanend bearbeitet wird, in einem nachfolgenden zweiten Bearbeitungsschritt die Oberflächenkontur der Lagerfläche elektrochemisch weiter bearbeitet wird.
Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass mittels der nachfolgenden elektrochemischen Bearbeitung eine Lagerfläche erzeugt wird, welche geometrisch hochgenau ist und eine verschleißbeständigere Oberflächenfeingestalt aufweist. Somit wird im Vergleich zum Stand der Technik eine Lagerfläche für eine radiale Wellenlagerung hergestellt, die im Betriebszustand höher belastbar ist und eine höhere Verschleißbeständigkeit und damit in der Regel eine erhöhte Lebensdauer aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei in einem ersten Verfahrensschritt eine konventionelle mechanische vorzugsweise zerspanende Bearbeitung, insbesondere durch Bohren, der zu bearbeitenden Lagerfläche auf. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass hinsichtlich der herzustellenden geometrischen Endkontur das geometrische Bearbeitungsmaß für die mechanische Bearbeitung um den Betrag des Bearbeitungsmaßes der nachfolgenden elektrochemischen Bearbeitung, d.h. dessen Werkstoffabtrag, korrigiert werden muss.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die mechanisch vorbearbeitete Oberflächenkontur der Lagerfläche mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens weiter bearbeitet. Dazu werden hinlänglich bekannte Vorrichtungen zur elektrochemischen Bearbeitung eingesetzt. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung (ECM - ElectroChemical Machining) oder auch der weiter entwickelten elektrochemischen Bearbeitung, der so genannten gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM - Pulsed ElectroChemical Machining) , ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeug und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei Werkzeug und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest und definiert positioniert, so dass sich auf dem Bearbeitungsobjekt die Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs abbildet. Dazu wird zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem zu bearbeitendes Objekt eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Bearbeitungsobjekt als Anode und das Bearbeitungswerkzeug als Kathode geschaltet wird. Für die Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise kleiner als lmm, zwischen Werkzeug (Kathode) und Objekt (Anode) mit einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone herausgespült. Das PECM-Verfahren weist eine weitaus geringere Spaltbreite zwischen Werkzeug und Objekt auf, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2mm, und besitzt deshalb eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit als das ECM-Verfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht permanent anliegt, wie beim ECM-Verfahren, sondern als gepulster Strom zugeführt wird. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
Somit wird mittels der elektrochemischen Bearbeitung die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen. Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel jedoch ein herkömmlicher Elektrodenaufbau verwendet, der eine auf die herzustellende Geometrie ausgelegte spezielle geometrische Ausgestaltung aufweist, beispielsweise den exakten Durchmesser einer herzustellenden Lagerfläche.
Auf Grund des berührungslosen Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der elektrochemischen Bearbeitung nur ein minimaler Werkstoffabtrag von weniger als lmm stattfindet, vorzugsweise im Bereich von 0,005πun bis 0,1mm. Weiterhin wird der Materialabtrag, d.h. die Abtragsrate bei der elektrochemischen Bearbeitung, direkt über die im Verfahren angelegte Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung gesteuert, so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche angepasst werden kann. D.h. für eine abzutragende höhere Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil zu wählen und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen. Die elektrochemische Bearbeitung von Lagerflächen insbesondere von Pleuellagern wird damit auch für eine Serienfertigung wirtschaftlich. Die Bearbeitungszeit reduziert sich je nach Werkstoffabtrag auf eine Taktzeit von wenigen Sekunden, vorzugsweise bei einem Materialabtrag von 0,1mm auf unter lOsec. Durch Parallelbearbeitung mehrerer Bauteile kann diese Taktzeit weiter reduziert werden.
In Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des Verfahrens wird diese speziell durch das PECM-Verfahrens weiter vorteilhaft gesteigert, wodurch eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten Rz kleiner als 5μm erzielt wird, vorzugsweise Rz im Bereich von 0,5μm bis 2μm. Damit wird im Vergleich zur konventionellen mechanischen Bearbeitung eine Oberfläche hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist und damit eine höhere Verschleißbeständigkeit aufweist .
Ein weiterer Vorteil des PECM-Verfahrens ist, dass durch entsprechende Ausgestaltung der Elektrode eine hochgenaue und präzise Bearbeitung mit einer Strukturierung der Bearbeitungsoberfläche ermöglicht wird, beispielsweise eine Mikrostrukturierung in Form von Mikroschmierstofftaschen oder definiert ausgerichteten Mikroriefen, wodurch die Verschleißbeständigkeit und Belastbarkeit der Lagerfläche weiter gesteigert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Oberflächenkontur der Lagerfläche in ihrem Querschnitt geometrisch unrund bearbeitet.
Der Vorteil dabei ist, dass durch die im Querschnitt geometrisch unrunde Bearbeitung der Oberflächenkontur der Lagerfläche mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens Verspannung der Lagerfläche im Belastungszustand infolge Deformation der Lagerfläche reduziert werden. Damit werden die Belastbarkeit und die Verschleißbeständigkeit der Lagerfläche weiter vorteilhaft gesteigert .
Unter einer derartigen geometrisch unrunden
Bearbeitungsgeometrie sind dabei nicht rotationssymmetrischen Geometrien bezüglich des geometrischen Mittelpunkts eines Radiallagers im Querschnitt zu verstehen. Beispielsweise ist darunter eine elliptische, also ovalisierte, Bearbeitungsgeometrie der Lagerfläche zu verstehen. Eine derartige Bearbeitung ist zumindest mit vertretbarem Aufwand mit konventioneller mechanischer Bearbeitung nicht herstellbar, wobei dies bei elektrochemischer Bearbeitung auf einfache Art und Weise durch entsprechende Ausgestaltung der Elektrode bearbeitet wird.
Der Vorteil einer ovalisierten Bearbeitungsgeometrie insbesondere bei Pleuellagern ist, dass das Pleuelauge derart bearbeitet wird, dass es im Belastungszustand, d.h. im deformierten Zustand infolge definiert wirkender Kräfte, eine im wesentliche rotationssymmetrische Kreisgeometrie aufweist. Im Vergleich zur konventionellen kreisrunden mechanischen Bearbeitung eines Pleuelauges, welches im Belastungszustand unsymmetrisch deformiert wird, wird durch die ovalisierte Bearbeitung ein Pleuellager bzw. eine Lagerfläche gewährleistet, welche eine erheblich höhere Belastbarkeit aufweist und gleichzeitig eine erhöhte
Verschleißbeständigkeit aufweist. Die jeweilige Ausgestaltung der ovalisierten Lagerfläche ist abhängig von den im Belastungsfall auftretenden Lagerkräften, allerdings ist die Differenz von Haupt- und Nebenachse einer solchen ovalen Bearbeitungsgeometrie betragsmäßig kleiner als lOOμm, vorzugsweise im Bereich von 0,5μm bis lOμm.
Für die exakte Lage der unrunden Bearbeitungsgeometrie der Lagerfläche bezüglich des geometrischen Mittelpunkts eines Radiallagers ist der Bereich bzw. sind die Bereiche der Krafteinleitung im Belastungszustand in die Lagerfläche maßgebend. Beispielsweise liegt die kleinere Nebenachse einer ovalisierte Bearbeitungsgeometrie eines Pleuelauges bei einem herkömmlichen Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine in Richtung des Pleuelschafts, d.h. auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Pleuelaugen.
Eine weitere Steigerung der Belastbarkeit und Verschleißbeständigkeit der Lagerfläche wird erreicht, wenn die Lagerfläche in ihrer Breite ballig bearbeitet wird. D.h. durch insbesondere eine konvex bearbeitete Lagerfläche wird eine Verkippung der Lagerfläche relativ zum Lagersitz der zu lagernden Welle im Vergleich zu einer konventionellen planparallelen Ausgestaltung von Lagersitz der Welle und Lagerfläche wesentlich besser ertragbar. Bei konventionellen planparalleler Ausgestaltung führt eine Verkippung im Randbereich der Lagerfläche zu einem Festkörperkontakt von Lagerfläche und Lagersitz, wodurch ein erhöhter Verschleiß der Lagerfläche und des Lagersitzes resultiert, d.h. eine wesentlich geringere Lebensdauer. Bei balliger Bearbeitung der Lagerfläche führt eine Verkippung erst sehr viel später zu einem derartigen Festkörperkontakt von Lagerfläche und Lagersitz. Somit werden die Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit insbesondere bei Pleuellagern wesentlich erhöht. Das Maß der balligen Bearbeitung ist dabei im Bereich weniger Mikrometer bis lOOμm, vorzugsweise lμm bis lOμm, herzustellen. Eine derartige Bearbeitung ist zumindest mit vertretbarem Aufwand mit konventioneller mechanischer Bearbeitung nicht herstellbar, wobei dies bei elektrochemischer Bearbeitung auf einfache Art und Weise durch entsprechende Ausgestaltung der Elektrode bearbeitet wird.
Eine weitere Steigerung der Belastbarkeit und der Verschleißbeständigkeit von Lagerflächen für eine radiale Wellenlagerung wird erreicht, wenn die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Lösung mit bekannten Beschichtungen für Lagerflächen wie beispielsweise Dreistofflagern für Pleuellager kombiniert wird. Dabei wird die Lagerfläche nach der mechanischen Bearbeitung mit einem elektrisch leitfähigen Schichtsystem beschichtet und nachfolgend wird dieses entsprechend des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens elektrochemisch bearbeitet.
Besonders wirtschaftliche Vorteile ergeben sich für die Herstellung von Lagerflächen insbesondere Pleuellagern, wenn aufgrund der Vorteile der elektrochemischen Bearbeitung teure Lagersysteme wie beispielsweise Dreistofflager bestehend aus Stützschale, Lagerschicht und Einlaufschicht, ersetzt werden durch einfachere, kostengünstigere und verschleißbeständige Schichtsysteme, wie beispielsweise thermische Spritzschichten oder galvanische Schichten. Dadurch können die Pleuel direkt beschichtet werden und es werden weitere kostenintensive Verfahrensschritte bei der Herstellung von Dreistofflagern eingespart.
Alternativ zu der zerspanenden Vorbearbeitung ist es mit der elektrochemischen Bearbeitung auch möglich Lagerflächen direkt in endkonturnah geschmiedeten oder gegossenen Bauteilen, insbesondere der Pleuelaugen von Pleuel, herzustellen. Dies hat vor allem den wirtschaftlichen Vorteil, dass zahlreiche Bearbeitungsschritte, wie beispielsweise die zerspanende Bearbeitung der Pleuelaugen oder deren daran anschließende Beschichtung in weiteren Verfahrenschritten, entfallen. Zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit der Lagerfläche, insbesondere der hohen Belastbarkeit und Verschleißbeständigkeit, ist dabei allerdings zu beachten, dass für das Bauteil ein entsprechend hochwertiger Schmiede- oder Gusswerkstoff gewählt wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die elektrochemische Bearbeitung für elektrisch leitfähige Materialien ein werkstoffunabhängiges Bearbeitungsverfahren ist. D.h. auch elektrisch leitfähige Materialien bearbeitet werden können, die durch reine mechanische Bearbeitung nur unzureichend oder unter hohem Kostenaufwand auf Endkontur bearbeitbar sind, beispielsweise sehr schwer zerspanbare moderne Eisengusslegierungen wie Vermikulargraphit-Guss (GGV) oder aber bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI - Austempered Ductile Iron) . Diese Legierung besitzen sehr gute Verschleißeigenschaften und hohe mechanische Festigkeitskennwerte, so dass sie als unbeschichtete Lagerwerkstoffe einsetzbar sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit auch eine Verwendung dieser Materialien für beispielsweise Pleuel ermöglicht und eine prozesssichere und hochgenaue Bearbeitung derartiger Materialien bei gleichzeitig verbesserter Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung gewährleistet.
Weitere Gegenstände der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und den Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt dabei in schematischer Darstellung eine nicht maßstabsgetreue Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Pleuels (1) einer Verbrennungskraftmaschine. Zum besseren Verständnis wurde die ovale Ausgestaltung der Lagerfläche (5) des größeren Pleuellagers (2) überhöht dargestellt.
Figur 2 ist eine Ansicht des Pleuellagers (2) entlang des Schnittes A-A gemäß Fig.l. Auch hier wurde zum besseren Verständnis die ballige Ausgestaltung der Lagerfläche (5) des größeren Pleuellagers (2) überhöht dargestellt.
Für die Fertigung von 4-Zylinder-Ottomotoren für Kraftfahrzeuge werden endkonturnah gegossene Pleuel (1) aus dem Werkstoff ADI mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet .
In einem ersten Verfahrensschritt werden die Pleuelaugen der Pleuellager (2, 3) der Gussteile mechanisch durch Bohren bearbeitet. Anschließend werden die mechanisch bearbeiteten Flächen der Pleuellager (2, 3) in einem automatisierten Prozess mit einer 0,5mm dicken, verschleißbeständigen Schicht mittels Plasmaspritzen thermisch beschichtet.
In einem daran anschließenden Verfahrensschritt erfolgt die endgültige Bearbeitung der Pleuellager (2, 3) mittels PECM. Die elektrochemische Bearbeitung erfolgt auf einer herkömmlichen hier nicht weiter beschriebenen Vorrichtung zur PECM-Bearbeitung. Die für die Bearbeitung erforderlichen Anschlussmittel zur Aufnahme der Elektroden, zur Stromversorgung, zur definierten Positionierung der Pleuel relativ zu den Elektroden und zur weiteren Prozessteuerung sind hierbei nicht näher erläutert aber selbstverständlich vorhanden .
Für die PECM-Bearbeitung des größeren Pleuellagers (2) wird eine Elektrode verwendet, die eine Höhe von 30mm und eine ovale Grundform aufweist, wobei die Differenz von Hauptachse b und Nebenachse a betragsmäßig lμm beträgt und über die Höhe der Elektrode konstant ist. Die ovale Grundform ist über die Höhe der Elektrode variabel, so dass die Elektrode eine konkave, ballige Form bezüglich ihrer Höhe aufweist. Die äußeren Kanten der balligen Form sind dabei um den Betrag c von 2μm nach Außen gewölbt. Für die PECM-Bearbeitung des kleineren Pleuellagers (3) wird eine kreisrunde Elektrode verwendet, die eine Höhe von 30mm aufweist und deren Durchmesser über die Höhe der Elektrode variabel ist, so dass die Elektrode eine konkave, ballige Form bezüglich ihrer Höhe aufweist. Die äußeren Kanten der balligen Form sind dabei ebenfalls um den Betrag c von 2μm nach Außen gewölbt.
Durch ihre spezielle Ausgestaltung erzeugen die beschriebenen Elektroden bei der PECM-Bearbeitung an einem Pleuel (1) die gewünschte ballige, konvexe Form über der Breite der Lagerflächen (5) der Pleullager (2, 3) sowie die ovalisierte Bearbeitungsgeometrie an der Lagerfläche (5) des größeren Pleuellagers (2) . Gleichzeitig entgraten und verrunden die Elektroden die Pleuellager definiert.
Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der PECM-Bearbeitung erfolgt die elektrochemische Bearbeitung von vier Pleuel (1) parallel, wozu die Vorrichtung eine entsprechende Anzahl an zuvor beschriebenen Elektroden aufweist.
Im Verfahren zur PECM-Bearbeitung werden die vier Pleuel (1) definiert in der Vorrichtung aufgenommen und eingespannt, so dass eine feste Positionierung der Pleuel (1) relativ zu den Elektroden gewährleistet ist. Dabei umschließt jeweils ein kleineres Pleuellager (3) konzentrisch eine beschrieben kreisrunde Elektrode, so dass sich ein umfänglich konstanter Arbeitsspalt von ca. 0,1mm ergibt. Ein größeres Pleuellager (2) umschließt eine zuvor beschriebene ovalisierte Elektrode, so dass die Nebenachse a der späteren ovalisierten Bearbeitungsgeometrien in Richtung des Pleuelschafts (4), also auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der Pleuellager (2, 3) liegt. Daraus ergibt sich ein minimaler Arbeitsspalt von ca. 0,1mm im Bereich zwischen der Lagerfläche (5) und der Elektrode, welcher in Richtung der Hauptachse b und senkrecht zur Nebenachse a steht. Die Elektrolytlösung, eine gebräuchliche Salzlösung, wird von oben der Bearbeitung unter Umgebungsdruck zugeführt. Die PECM-Bearbeitung findet mit einer Taktzeit von lOsec statt.
Bei der PECM-Bearbeitung der beiden Pleuellager (2, 3) wird letztlich die bereits beschriebene Balligkeit beider Lagerflächen (5) sowie die ovalisierte Geometrie der Lagerfläche (5) des größeren Pleuellagers (2) hergestellt, woraus sich die bereits hinlänglich beschriebenen Vorteile ergeben.
Der Verfahrensablauf findet vollautomatisiert statt, so dass nach Beendigung der PECM-Bearbeitung die bearbeiteten Pleuel (1) automatisiert aus der Vorrichtung entnommen werden und weitere neu zu bearbeitende Pleuel in die Vorrichtung eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen zylindrischen Lagerfläche (5) einer radialen Wellenlagerung in elektrisch leitfähigem Material, wobei die Oberflächenkontur der Lagerfläche (5) in einem ersten Bearbeitungsschritt zerspanend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur der Lagerfläche (5) in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt elektrochemisch weiter bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (5) in ihrem Querschnitt geometrisch unrund bearbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (5) in ihrem Querschnitt geometrisch ovalisiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (5) in ihrer Breite ballig bearbeitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur elektrochemischen Bearbeitung verwendete Elektrode relativ zur Lagerfläche (5) fest positioniert wird.
6. Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung einer im Wesentlichen zylindrischen Lagerfläche (5) einer radialen Wellenlagerung in elektrisch leitfähigem Material, wobei die Elektrode zapfenförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen ovalen Querschnitt aufweist.
7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen entlang ihrer Längserstreckung variablen ovalen Querschnitt aufweist.
8. Pleuel (1) für den Einsatz in Maschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, aufweisend einen Pleuelschaft (4), welcher an seinen Enden jeweils ein Pleuellager (2,3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lagerfläche (5) eines Pleuellagers (2,3) in ihrem Querschnitt geometrisch ovalisiert ausgestaltet ist.
9. Pleuel (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (5) des Pleuellagers (2,3) in seiner Breite ballig ausgestaltet ist.
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