Tribologisch gestaltete Oberflächen durch Laserstrukturieren Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Flores, Leiter Technologie und Patente

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1 Tribologisch gestaltete Oberflächen durch Laserstrukturieren Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Flores, Leiter Technologie und Patente Gehring weltweit - Firmeninformation Technologische Einführung Reibungsminimierung durch Laserhonen Reibungsmaximierung durch Laserstrukturieren Laserstrukturieren von Pleuelaugen Laserstrukturieren von Nocken Laserstrukturieren von Stirnpressverbindungen Zusammenfassung und Ausblick 1

2 Gehring weltweit Standort Ostfildern Werk 1 Anfänge in Naumburg / Saale weltweit 700 Mitarbeiter ca gelieferte Honmaschinen seit 1926 Christoph Wilhelm Gehring 2

3 Reibungszahl f Technologische Einführung Stribeck-Kurve Funktionen von gelaserten bzw. gehonten Oberflächen: Haften Gleiten Dichten Führen Reduzierung von Reibung Sommerfeldzahl s = 1 Haftreibung h > 0 2 Mischreibung h = R 3 Flüssigkeitsreibung h >> R h: Schmierspalt R: Rauheit Viskosität η x Geschwindigkeit v Normalkraft F N 3

4 Technologische Einführung Honen ist ein spanabhebendes Verfahren zur Korrektur von Maß, Form, Oberfläche und ggf. Lage von Bohrungen Hubbewegung Drehbewegung Honwinkel Zustellbewegung 1935 Gehring-Honmaschine Typ 1Z hydraul. Hub, polumschaltbarer Spindelmotor, Pressöler, Filzfilter gebundenes Korn (Diamant / cbn) Bindung 4

5 Reibungszahl f Reibungsminimierung durch Laserhonen Laser-Honen ist eine Prozesskombination von Laserstrukturieren und Honen und dient der Reibungs- und Verschleißminimierung von Bohrungen Stribeck-Kurve p hydrodynamischer Druck Fr v Strukturtasche Kolbenring Schmierspalt Zylinderbohrung Reibungszahl f Gleitgeschwindigkeit v Tiefe mm Breite µm Ziel: min. Reibung bei min. Geschwindigkeit Abstand 2 mm Länge 3 mm Steigung 2 mm 5

6 Reibungsminimierung durch Laserhonen Prozesskette: Rz = 8 12 µm Rz = 2 5 µm µm Rz = 1 2 µm 5 20 µm Vorhonen Zwischenhonen Laserstrukturieren Entgraten und Fertighonen 6

7 Reibungsminimierung durch Laserhonen Reibungskraft System Kolben - Zylinder Oberfläche nach dem Bearbeiten Oberfläche nach km Laser-Honen seit 2002 in Serie, täglich ca ZKG Source: ITV, Universität Hannover

8 Reibungsmaximierung durch Laserstrukturieren Laserstrukturieren von Pleuelaugen Laserstrukturieren von Nocken Laserstrukturieren von Strinpressverbindungen 8

9 Reibungszahl f Laserstrukturieren von Pleuelaugen Stribeck-Kurve Haftreibung h > 0 2 Mischreibung h = R 3 Flüssigkeitsreibung h >> R h: Schmierspalt 1 Erhöhung der Reibung R: Rauheit Lagerschale großes Pleuelauge Sommerfeldzahl s = Viskosität η x Geschwindigkeit v Normalkraft F N Schmierspalt Hubzapfen Verdrehfestigkeit Verdrehbewegung (Gleitlager) 9 9

10 Laserstrukturieren von Pleuelaugen Prozesskette zur Herstellung von Pleuelbohrungen Bruchtrennen Montieren Feinbohren Werkbild Mauser Werkbild Mapal Laserstrukturieren 10

11 Laserstrukturieren von Pleuelaugen Strukturfelder 4 x 90 Strukturverlauf Strukturrichtung orthogonal zur Richtung der Umfangskräfte (Drehmoment) Feinbohrriefen Strukturlinien Profiltiefe nach dem Feinbohren Schmelzgrate vom Laserstrukturieren Höhe der Schmelzgrate ca. 2-3 µm Oberfläche am großen Pleuelauge nach dem Feinbohren und Laserstrukturieren 11

12 Laserstrukturieren von Pleuelaugen Scanner zur Strahlauslenkung Laserstrahl Pleuel großes Auge Feinbohrprofil (Vorbearbeitung) Strahlquelle mit integriertem Scanner Prozess auf einer Anlage zum Laser Strukturieren Maschine mit Rundschalttisch 2 Laserstrahlquellen zum Strukturieren Station 1: Strukturfelder 0 und 180 Staiton 2: Strukturfelder 90 uund 270 Werkbild Fa. Trumpf Laserscanner mit zwei Galvospiegeln

13 Laserstrukturieren von Pleuelaugen Lagerschale Peakhöhe h der Laserstruktur ist signifikant niedriger als die Rauheit R vom Feinbohren Mit dem Fügen pressen sich die erhabenen Peaks in die Außenseite der Lagerschale R Laserstrukturierte Oberfläche im großen Auge Kontaktflächen vor dem Fügen h Das Ergebnis ist ein Mikroformschluss zur Erhöhung der Verdrehsicherheit Lagerschale Laserstrukturierte surface Oberfläche connecting im rod großen Auge Verdrehfestigkeit durch mikroverformte Kontaktflächen nach dem Fügen 13

14 Verdrehwinkel [ ] Laserstrukturieren von Pleuelaugen Prozessparameter und Bearbeitungsergebnisse Verdrehmoment: Höhe der Laser-Peaks Strukturbreite: Strukturabstand: Bearbeitungszeit: Taktzeit: Nd:YAG-Laser Impulsleistung: Pulsoverlapp: 40 N 2 3 µm 65 µm 55 µm 9 s 11 s 10 kw 60 % zul. Verdrehung Verdrehtest Laser strukturierte Pleuelaugen Drehmoment [Nm] Welle dreht durch Faxfilm-Aufnahme 14

15 Nockenbearbeitung Wellenrohr Nocke 4 x 90 Strukturfelder Schleifprofil Strukturlinien Haftreibung durch erhabene Schmelzgrate Strukturlinien 15

16 Nockenbearbeitung Station zum autom. Be- und Entladen Vorrichtung mit eingelegtem Werkstück Laser-Strukturierungsmaschine Station zum manuellen Be- und Entladen 16

17 Nockenbearbeitung Laser Station Kamera Data Matrix Code Laser Station Data Matrix Code Laser Station

18 Nockenbearbeitung Höhe der Laser-Peaks Strukturlinienbreite: Strukturlinienabstand: Bearbeitungszeit: Taktzeit: Nd:YAG-Laser Impulsleistung: Pulsoverlapp: 1 3 µm 50 µm 120 µm 2 s 4 s 10 kw 80 % Laserstrukturierungsbearbeitung Vorrichtung und Kamera zur Strukturprüfung Kamera zur Überprüfung des DMC Kamerabild der vier Laserstrukturfelder 18

19 Strinpress- und Welle-Nabe-Verbindungen Stirnpressverbindung Kupplung mit Mikroformschluss Welle-Nabe-Verbindungen Al-Stirnfläche mit Mikroformschlussprofil 19

20 Zusammenfassung Laserstrukturieren substituiert beim Pleuel den mehrstufigen Honprozess ermöglicht bei der Nocke eine kostengünstigere Bauart der Nockenwelle substituiert bei Stirnpressverbindungen Diamantfolien Substituiert bei Welle-Nabe-Verbindungen die Passfeder Kein Werkzeugverschleiss keine Werkzeugkosten Einfacher Maschinenaufbau Keinen Eintrag von Spannungen Kein Verspannen der Teile Prozesskinematik aus Scanner, maschinenseits keine Bewegungen kurze Bearbeitungszeit von Pleuelaugen mit 10 s (Honen 14 s) von Nocken mit 4 s 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.