Verfahren zum Freilegen von Silizium-Kristallen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Freilegen von Silizium-Kristallen an den Oberflächen feinbearbeiteter, vorzugsweise gehonter Werkstücke, bei denen die Silizium-Kristalle in eine erheblich weichere Matrix eingebettet sind.

[0002] Derartige Verfahren werden z.B. eingesetzt, um die zylindrischen Kolbenlaufbahnen der Motorblöcke von Kraftfahrzeugmotoren zu bearbeiten. Die durch das Freilegen gegenüber der zurückgesetzten Aluminium-Matrix erhabenen Silizium-Kristalle bilden die verschleißfeste Oberfläche, auf der die Kolben bzw. Kolbenringe laufen, während das durch die Zurücksetzung der Aluminium-Matrix freigewordene Volumen zwischen den Silizium-Kristallen zur Aufnahme von Schmieröl dient. Ein dabei häufig verwendeter Leichtmetall-Werkstoff ist die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung Al Si 17 Cu 4 Mg. Sie wird im Niederdruckverfahren vergossen und bildet bei der Erstarrung hochverschleißfeste Silizium-Kristalle einer Größe von 30-80 µm. Die Feinbearbeitung erfolgt durch Bohren und Honen. Anschließend werden die Kristalle freigelegt.

[0003] Bei bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (JP-A 62 173 164) erfolgt die Freilegung durch elektro-chemische oder außenstromlose chemische Ätzverfahren (ECM = Elektro Chemical Machining). Das Ätzen erfordert in der Serienfertigung jedoch ein hohes Maß an ingenieurmäßiger Betreuung, da nur durch eine aufmerksame Überwachung des Prozesses zufriedenstellende Arbeitsergebnisse erzielt werden können. Der Anlagenwert ist außerordentlich hoch. Es entstehen darüberhinaus Probleme bei der Entsorgung der verbrauchten Ätz- und Reinigungsflüssigkeiten. Dadurch ergeben sich sehr hohe Betriebskosten. Die Tatktzeit beträgt bis zu vier Minuten. Die Vorgänge sind nur mit großem Aufwand automatisiert.

[0004] Es ist ferner bekannt (EP-A-1-0247572; VDI-Zeitschrift Band 128 (1986) Nummer 11 - Juni (I), S. 439-442), die Innenflächen von Graugußzylinderbüchsen oder beschichteten Leichtmetallzylindern anschließend an das Honen zu bürsten. Diese Nachbearbeitung der bereits betriebsfertigen Oberflächen dient dazu, den sog. Blechmantel zu beseitigen und - bei Grauguß - damit auch die Graphitlamellen freizulegen. Durch die Beseitigung des Blechmantels wird die Einlaufzeit abgekürzt. Durch die Freilegung der Graphitlamellen ergeben sich günstige Notlaufeigenschaften. Das bekannte Verfahren findet jedoch an einer an sich bereits betriebsfertigen Oberfläche statt und dient nicht dazu, einzelne Bereiche der Werkstückoberfläche zurückzusetzen und damit Aufnahmeräume für Schmiermittel zu schaffen.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein leicht automatisierbares vereinfachtes Verfahren der eingangs genannten Art bei erheblicher Kostensenkung zu schaffen.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Werkstückes anschließend an die Feinbearbeitung gebürstet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

[0007] Die Erfindung schafft also im Gegensatz zu dem bekannten chemischen Ätzverfahren ein spanendes Verfahren. Dabei macht man sich die im Werkstoff örtlich sehr unterschiedlichen Härten der Silizium-Kristalle einerseits und der Aluminium-Matrix andererseits, sowie die damit verbundenen unterschiedlichen Zerspanungseigenschaften beider Werkstoffe zunutze. Durch die Verwendung eines Bürstwerkzeuges wird im Bereich der Matrix, d.h.des weicheren Materials, Werkstoff abgetragen. Aufgrund der zwanzigmal größeren Härte der Silizium-Kristalle findet eine Abarbeitung der Silizium-Kristalle dabei nicht statt. Dieses Verfahren ist außerordentlich einfach, da bekannte Honmaschinen dazu eingesetzt werden können. Die Taktzeit sinkt auf weniger als eine Minute.

[0008] Das Bürsten erfolgt mit einem relativ einfachen Bürstwerkzeug ohne Handhabung ätzender Flüssigkeiten.

[0009] Die Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1a schematisch die Lage von Silizium-Kristallen

und Ib in einer Aluminium-Matrix vor und nach dem Bürsten;

Figur 2 ein Bürstwerkzeug zur Ausführung des Verfahrens;

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Figur 4 eine fotografische Aufnahme einer bei einem Bürstwerkzeug gemäß Fig. 2 und 3 eingesetzten Borste;

Figur 5 (a), (b),
(c) Funktionsdiagramme des Bearbeitungsablaufs;

Figur 6 eine fotografische Aufnahme der durch das Bürsten bearbeiteten Oberfläche.

[0010] Figur 1a zeigt die Oberfläche einer
Silizium-Aluminium-Legierung nach einer Feinbearbeitung, bspw. nach dem Honen, wobei Silizium-Kristalle 1 in eine Aluminium-Matrix 2 eingebettet sind. Figur 1b zeigt den gewünschten Zustand, bei dem die Aluminium-Matrix 2 nach der Bearbeitung gegenüber der durch die Silizium-Kristalle gebildeten Auflagefläche um einen Betrag h zurückgesetzt sind. Bei einer derartigen Oberfläche kann es sich z.B. um zylindrische Kolbenlaufbahnen in einem Motorblock handeln. Das in den Figuren 2 und 3 dargestellte Bürstwerkzeug 3 ist für diesen Anwendungsfall geeignet.

[0011] Das Bürstwerkzeug 3 weist Bürstleisten 4 auf, die durch einen im Querschnitt T-förmig ausgebildeten Träger 5 und eine Vielzahl darauf angebrachter Borsten 6 bestehen. Die senkrecht stehenden Balken 7 der T-Form des Querschnittes der Träger 5 haben eine achsparallele Kante 7′ und eine dazu schräg verlaufende Kante 7''. Eine Bürstleiste 4 bzw. ein Träger 5 hat in Achsrichtung zwei derartige Balken 7. Die Kanten 7′ und 7'' wirken mit einem Aufweitkörper 8 zusammen, der zwei konische Bereiche 9 aufweist, in denen jeweils Nuten 10 vorgesehen sind, die die Balken 7 der Träger 5 derart aufnehmen und führen, daß die schrägen Kanten 7′ der Balken 7 auf dem Grund der Nuten 10 gleiten. Die radiale Aufweitung der Bürstleisten 4 erfolgt durch axiale Verschiebung des Aufweitkörpers 8. Die Bürstleisten 4 werden durch Federn 11 und 12 in radialer Richtung zusammengehalten. Sie sind von einer Manschette 13 umgeben, die auf der Vorderseite mit einem Deckel 14 verschraubt ist und Schlitze 15 aufweist, durch die hindurch sich die Enden der Borsten der Bürstleisten erstrecken. Die Manschette 13 umgreift einen Flansch 16 des Werkzeugkörpers 17 und ist mit diesem verschraubt. Der Werkzeugkörper ist mittels Bolzen 18 mit der Hülse 19 fest verbunden. Im Werkzeugkörper 17 ist mittels eines Seegerrringes 20 eine Scheibe 21 angeordnet. Ferner ist der Aufweitkörper 8 fest mit dem stabförmigen zylindrischen Fortsatz 22 verbunden, der ebenfalls einen Seegerring 23 trägt. Zwischen der Scheibe 21 und dem Seegerring 23 ist eine Feder 24 wirksam, die den Fortsatz 22 und mit ihm den Aufweitkörper 8 nach links in die Lage zieht, die der geringsten radialen Aufweitung der Bürstleisten 4 entspricht. Eine Aufweitung erfolgt, wenn der Aufweitkörper 8 nach rechts geschoben wird. Dies erfolgt durch einen Druckbolzen 25, der in der Hülse 19 verschiebbar aufgenommen ist und gleichzeitig über einen quer angeordneten Bolzen 26, der sich durch Schlitze 27 in der Hülse 19 hindurcherstreckt, mit einer Gewindehülse 28 verbunden ist. Diese sitzt mittels eines Gewindes 29 außen auf der Hülse 19. Eine Drehung der Gewindehülse 28 am Gewinde 29 an der Hülse 19 bewirkt eine axiale Verschiebung des Druckbolzens 25 und damit über Fortsatz 22, Aufweitkörpers 8 und eine radiale Verschiebung der Bürstleisten 4. Mit der Hülse 19 ist ein Einspannschaft 30 verbunden, der zur Einspannung in die drehangetriebene und einem bestimmten Vorschub entsprechend in axialer Richtung verschiebbare Spindel einer Maschineneinheit dient.

[0012] Bei dem dargestellten Bürstwerkzeug erfolgt die Zustellung der Leisten in radialer Richtung manuell, d.h. durch Verdrehen der Gewindehülse. Für die Serienfertigung wird man entsprechend anders ausgebildete Werkzeuge nehmen, die nicht manuell über eine Gewindehülse, sondern mittels einer im Inneren des Einspannschaftes 30 verlaufenden Betätigungsstange einen Schrittmotor trittweise verstellbar sind. Eine nähere Beschreibung einer derartigen Vorrichtung ist jedoch im vorliegenden Zusammenhange nicht notwendig, denn derartige Zustelleinrichtungen sind bei Honmaschinen zur radialen Aufweitung von Honwerkzeugen dem Fachmann bekannt. Das gilt im Prinzip auch für Werkzeuge der beschriebenen Art, wenngleich die Konizität des Aufweitkörpers 8 im vorliegenden Fall sehr viel größer als bei üblichen Honwerkzeugen ist, da die Abnützung der Borsten schneller vor sich geht und demgemäß größere Zustellwege erforderlich sind. Da beim Bürsten mit wesentlich höheren Umfangsgeschwindigkeiten gearbeitet wird, ist der Werkzeugkörper ausgewuchtet.

[0013] Figur 4 zeigt eine stark vergrößerte Aufnahme einer einzelnen Borste 6. In ein Trägermaterial aus Polyamid sind Schneidkörner eingelagert. Die Schneidkörner 31 können bspw. aus Diamant, Korund, Siliziumkarbid, Borkarbid oder CBN (Cubisches Bohrnitrid) bestehen. Die Korngrößen liegen im Bereich 60 bis 800 mesh. Der Durchmesser einer einzelnen Borste sollte so ausgelegt sein, daß er nicht größer ist als der mittlere Abstand der Silizium-Kristalle voneinander auf der zu bearbeitenden Oberfläche. Bei dem oben genannten Werkstoff Al Si 17 Cu 4 Mg befinden sich auf z.B. 1 cm² ca. 14 000 Silizium-Kristalle der Korngröße 30 bis 50 µm und ca. 3.100 Kristalle der Korngröße 40 bis 80 µm. Der sich hieraus ergebende Mindestkristallabstand an der Oberfläche beträgt ca. 0,030 bis 0,050 mm. Der Borstendurchmesser sollte daher entsprechend kleiner gewählt werden, hängt jedoch von dem Abstand der Kristalle ab. Wichtig ist, daß die Borsten die Bereiche der Matrix zwischen den Silizium-Kristallen direkt erreichen und dort Material abtragen können.

[0014] Zur Einstellung der Schneidfähigkeit ist eine sorgfältige Auswahl des Schmierstoffes notwendig, so auch für dessen Fettgehalt, der die Reibung zwischen den Borstenenden und der Matrix und damit das Schneidverhalten der Borsten der Schneidkörner an den Borsten bestimmt. In der Praxis hat sich ein wasserlöslicher Kühlschmierstoff mit niedrigem Fettanteil bewährt. Die Reibung von Schneidkorn und Werkstoff kann dabei so eingestellt werden, daß sich genau der geforderte Werkstoffabtrag von 1 bis 1,5 µm im Bereich der Matrix 2 ergibt.

[0015] Einen wichtigen Einfluß auf das Arbeitsergebnis hat auch die Vorspannung der Bürsten. Das Werkzeug wird erst in der Bohrung, deren Innenfläche gebürstet werden soll, aufgeweitet. Mit Erreichen eines konstanten Aufweitmaßes setzt die Drehbewegung ein. Um das Werkzeug zu expandieren, erfolgtbei Verwendung eines Werkzeuges nach Fig. 2 und 3 - eine definierte Verstellung der Gewindehülse 28, die in der Serienfertigung - wie beschrieben - durch einen Schrittmotor getriebenes Zustellsystem ersetzt wird. Es muß auf jeden Fall sichergestellt sein, daß das Werkzeug bei jedem Arbeitszyklus auf den gleichen Aufweitdurchmesser expandiert wird und somit mit konstanter Borstenvorspannung arbeitet. Um einen Verschleiß der Borsten und des Besatzmaterials zu kompensieren, wird in der Serienfertigung nach einer empirisch zu ermittelnden Stückzahl das Werkzeug um ein bestimmtes Maß, das dem erfolgten Verschleiß entspricht, stärker aufgeweitet. Dies erfolgt bei Verwendung einer Schrittsteuerung durch zusätzliche Zustellimpulse.

[0016] Dabei hat sich herausgestellt, daß die Borstenvorspannung zweckmäßigerweise zwischen 0,5 und 2 mm im Durchmesser beträgt, d.h. daß die Borsten auf einen Durchmesser von Borstenende zu Borstenende aufgeweitet werden, der ohne Anliegen an einer Bohrung um den genannten Betrag größer ist als der Durchmesser der Bohrung.

[0017] Fig. 5 zeigt das Funktionsdiagramm für den Bearbeitungsvorgang. In Fig. 5 (a) ist die axiale Lage 1 des Werkzeuges über der Zeit t aufgetragen. 1_H ist die Hublänge. Der Punkt a bezeichnet die obere Endlage. Fig. 5 (b) zeigt die Zustellbewegung dr in Abhängigkeit von der Zeit. Daraus ist ersichtlich, daß die Aufweitung des Werkzeuges nach dem Einfahren erfolgt und daß vor dem Ausfahren des Werkzeugs die Bürstenleisten wieder in radialer Richtung zurückgezogen werden. Fig. 5 (c) zeigt den Verlauf der Drehbewegung n über der Zeit. Daraus ist durch Vergleich mit Fig. 5 (a) und Fig. 5 (b) zu ersehen, daß die Drehbewegung erst nach dem Einfahren und dem Aufweiten des Werkzeuges beginnt. Die Drehrichtung wird nach der Hälfte der Bearbeitungszeit umgekehrt, damit die Silizium-Kristalle von beiden Seiten her angeschnitten werden. Man arbeitet vorzugsweise mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 250 bis 450 m/min und mit einem Vorschub mit axialer Richtung von 5 bis 15 m/min. Die Bearbeitungszeit kann 10 bis 40 Sekunden betragen. Das ergibt 10 bis 20 Doppelhübe.

[0018] Figur 6 zeigt eine fotografische Aufnahme einer bearbeiteten Oberfläche. Es ist deutlich zu sehen, wie die Silizium-Kristalled 1 aus der Aluminium-Matrix 2 hervorstehen, so daß sich das gewünschte Bild ergibt. Es handelt sich dabei um ein Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmne einer gehonten Oberfläche eines Leichtmetall-Motorblocks. Das einheitliche Schnittniveau, auf dem sich die Aluminium-Matrix und das angeflachte Silizium-Kristall befinden, ist klar erkenntlich. Ebenso sind unterschiedliche Rauhigkeiten sichtbar, die sich aufgrund der partiellen Härteunterschiede der beiden Werkstoffe - Silizium und Aluminium - ergeben.

Ansprüche

1. Verfahren zum Freilegen von Silizium-Kristallen an den Oberflächen feinbearbeiteter, vorzugsweise gehonter Werkstücke, bei denen die Silizium-Kristalle (1) eine Korngröße von mindestens 30 bis 80 µ und einen Mindestabstand von 30 bis 50 µ aufweisen und in eine erheblich weichere Aluminium-Matrix (2) eingebettet sind, und bei denen das durch das Zurücksetzen der Matrix (2) um 1 bis 2 µ freiwerdende Volumen zur Aufnahme von Schmieröl dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstückes anschließend an die Feinbearbeitung mit Borsten (6) in deren Oberfläche Schneidkeiner (31) eingelagert sind, gebürstet wird, wobei der Durchmesser der Borsten der verwendeten Bürsten so bestimmt ist, dass er nicht größer als der mittlere Abstand der Silizum-Kristalle voneinander ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bürsten von Bohrungsoberflächen der Durchmesser der zum Durchführen des Verfahrens verwendeten Bürste (4) um 0,5 bis 2 mm größer als der Bohrungsdurchmesser ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Bürstwerkzeuges (3) nach der Hälfte der erforderlichen Bearbeitungszeit umgekehrt wird.

Claims

1. Method for exposing silicon crystals at the surface of finely machined, preferably honed workpieces, with which the silicon crystals (1) have a grain size of at least 30 to 80 µ and a minimum distance of 30 to 50 µ and are embedded into a considerably softer aluminum matrix (2), and with which the volume set free by setting back the matrix (2) by 1 to 2 µ serves to receive lubricating oil, characterized in that the surface of the workpiece subsequent to the fine machining is brushed with bristles (6), in the surface of which cutting grains (31) are incorporated, in which the diameter of the bristles is determined such that it is not larger than the medium distance of the silicon crystals.

2. Method in accordance to claim 1, characterized in that, when brushing boring surfaces, the diameter of the brush (4) used for carrying out the method, is by 0.5 to 2 mm larger than the diameter of the bore.

3. Method in accordance to claim 1 or 2, characterized in that the direction of rotation of the brush tool (3) is reversed after half the required machining time.

Revendications

1. Procédé pour dégager des cristaux de silicium sur des surfaces de pièces ayant subi un usinage de finition, de préférence rodés, dans lesquelles lesdits cristaux de silicium (1) ont une grosseur de grain minimal de 30 à 80 µ et une distance minimale de 30 à 50 µ et sont noyés dans une matrice (2) en aluminium dont la dureté est considerablement moindre, et dans lesquelles le volume devenant dégagé de 1 à 2 µ par le repositionement de la matrice sert à recevoir de l'huile de graissage, caracterisé en ce qu'à la suite de l'usinage de finition la surface de la pièce est traitée par brossage avec des poils (6) de brosserie ayant des grains (31) de coupe deposés dans leurs surfaces, le diamétre des poils des brosses utilisées étant déterminé tel qu'il ne dépasse pas la distance moyenne entre les cristaux de silicium.

2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que, lors du brossage de surfaces internes de perçage, le diamètre de la brosse (4, 6) utilisée pour la mise en oeuvre du procédé est supérieur de 0,5 à 2 mm à celui du perçage.

3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le sens de rotation de l'outil de brossage (3) est inversé après écoulement de la moitié du temps requis pour l'usinage.

Zeichnung