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Title:
METHOD AND TOOL FOR REMOVING A COATING FROM A SUBSTRATE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/215054
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method and a tool for removing a partial region of a coating from a substrate, in which the partial region to be removed is removed by a machining process in such a way that an undercutting of the partial region of the coating that is to be removed takes place. For the undercutting of the partial region of the coating that is to be removed, at least one machining tool that is rotating relative to the substrate about an axis of rotation is moved relative to the substrate along a direction of advancement that runs parallel to a surface having the coating, wherein a layer of the substrate that is directly adjacent to the coating is also removed together with the coating. Considered in the direction of advancement, the tool thereby penetrates deeper into the substrate than into the coating to be removed.

Inventors:
LUTZ PETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/062389
Publication Date:
November 29, 2018
Filing Date:
May 23, 2017
Export Citation:
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Assignee:
GUEHRING KG (DE)
International Classes:
C23C4/18; B23B27/02; B23P13/02; B23P13/04
Domestic Patent References:
WO2000037789A12000-06-29
Foreign References:
EP1820874A22007-08-22
EP2546503A12013-01-16
DE102009004337B32010-09-30
US5217330A1993-06-08
DE102009051262A12011-05-12
DE102011078591A12013-01-10
EP1820874A22007-08-22
DE102004038174A12006-02-23
DE102010035641A12012-03-01
Attorney, Agent or Firm:
SPACHMANN, Holger (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zum Entfernen eines Teilbereichs (22) einer Beschichtung (20) von einem Substrat (14), wobei der zu entfernende Teilbereich durch ein spanabhebendes Verfahren derart entfernt wird, dass ein Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) erfolgt, wobei zum Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) wenigstens ein relativ zu dem Substrat (14) um eine Rotationsachse rotierendes spanabhebendes Werkzeug relativ zu dem Substrat (14) entlang einer Vorschubrichtung (V), welche parallel zu einer die Beschichtung (20) aufweisenden Fläche verläuft, versetzt wird, wobei zusammen mit der Beschichtung (20) auch eine unmittelbar an die Beschichtung (20) angrenzende Substratschicht abgetragen wird und das Werkzeug, in Vorschubrichtung (V) betrachtet, tiefer in das Substrat (14) eindringt als in die zu entfernende Beschichtung (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das spanabhebende Werkzeug eine Schneidplatte (30, 130) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubrichtung (V) ferner parallel zu der Rotationsachse verläuft.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Zylinderwand (12) eines Zylinders (10) eines Kurbelgehäuses (14) ist, wobei die Vorschubrichtung (V) in Axialrichtung des Zylinders (10) verläuft.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug an einer rotierenden Spindel (24, 124) gehalten ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug nicht rotierend gelagert ist und das Substrat (14) rotiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug entlang der Vorschubrichtung (V) verstellbar ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (14) entlang der Vorschubrichtung (V) verstellbar ist.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug derart gehalten ist, dass eine zum Abtragen der Beschichtung (20) vorgesehene Schneidkante (32, 132) des Werkzeugs schräg zu der Vorschubrichtung (V) verläuft, insbesondere in einem Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise von 40° bis 50°.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) ein Erzeugen einer hinterschneidungsfreien Nut, insbesondere einer Ringnut (18), in einen Teilabschnitt des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) umfasst, wobei das Erzeugen der Nut insbesondere mit einem anderen Werkzeug als dem für das Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs (22) der Beschichtung (20) vorgesehenen Werkzeug erfolgt.

1 1 . Zerspannungswerkzeug, insbesondere Schleifwerkzeug (16) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, umfassend einen an einer Spindel (24, 124) befestigter Werkzeughalter (26, 126), der zumindest ein, insbesondere zwei radial gegenüberliegende Schneidkanten, bevorzugt auf Schneidplatten (30, 130) angeordnete Schneidkanten (32, 132), aufweist, die radial verstellbar sind.

Description:
Verfahren und Werkzeug zum

Entfernen einer Beschichtung von einem Substrat

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Entfernen eines Teilbereichs einer Beschichtung von einem Substrat, insbesondere in einem Teilbereich eines Zylinders eines Motorblocks einer Verbrennungsmotors.

STAN D DE R TECH N I K

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein bereichsweise mit einer Beschichtung versehenes Substrat. Bei dem Substrat kann es sich z. B. um eine Innenfläche einer Zylin- derwand eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors handeln. Dementsprechend kann es sich um ein Substrat aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer anderen Leichtmetalllegierung handeln. Auf das Substrat wird eine Beschichtung in einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht. Bei dem thermischen Spritzverfahren kann es sich beispielsweise um Lichtbogendrahtspritzen (LDS) handeln. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird ein Spritzwerkwerkstoff mithilfe eines Lichtbogens und eines Zerstäubergases auf das Substrat, z.B. eine Zylinderwand geblasen.

Eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Beschichtung, insbesondere eine Zylinderlaufflächenbeschichtung, misst nur wenige Zehntelmillimeter und weist eine sehr hohe Härte auf. Eine spanende (Nach-)Bearbeitung eines derart beschichteten Substrats, insbesondere eines Kurbelgehäusebereichs, ist daher mit sehr hohem Werkzeugverschleiß verbunden. Nichtsdestotrotz müssen bestimmte Teilbereiche eines Kurbelgehäuses nach dem Beschichten der Zylinderlaufflächen spanend bearbeitet werden. Aus der DE 10 2009 051 262 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch gespritzten Zylinderlaufbahn für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei auf eine Innenseite eines Zylinders durch ein thermisches Spritzverfahren eine Beschichtung aufgebracht wird. Die Beschichtung wird durch ein spannendes Verfahren und danach durch einen Hochdruckwasserstrahl mit einem Druck von bis zu 1 .000 bar be- arbeitet.

Ein gattungsähnliches Verfahren ist in der DE 10 201 1 078 591 A1 beschrieben. EP 1 820 874 A2, DE 10 2004 038 174 A1 und WO 00/37789 A1 zeigen Verfahren zum Entfernen einer gehärteten Beschichtung von einer Zylinderlaufbahn, bei denen die Beschichtung beginnend von der Vorderseite der Beschichtung her bis in das Substrat hinein erfolgt, um eine Fase in die Beschichtung und daran angrenzende Substratbereiche einzubringen.

DE 10 2010 035 641 A1 beschreibt ein Honverfahren, bei dem lediglich ein Teil der Beschichtung entfernt wird, um in der Beschichtung vorhandene Poren zum Zwecke der Ölrückhaltung freizulegen. Ein kompletter Abtrag der Beschichtung ist dort nicht erwähnt. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Entfernen eines Teilbereichs einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten Beschichtung von einem Substrat anzugeben, bei welchem der Werkzeugverschleiß reduziert ist.

OF FE N BARU N G DER ERF I N DU N G

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch ein Verfahren, bei welchem der zu entfernende Teilbereich durch ein spanabhebendes Verfahren derart entfernt wird, dass ein Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung erfolgt, wobei zum Hinterschneiden des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung wenigstens ein relativ zu dem Substrat um eine Rotationsachse rotierendes spanabhebendes Werkzeug relativ zu dem Substrat entlang einer Vorschubrichtung, welche parallel zu einer die Beschichtung aufweisenden Fläche verläuft, versetzt wird, wobei zusammen mit der Beschichtung auch eine unmittelbar an die Beschichtung angrenzende Substratschicht abgetragen wird und das Werkzeug, in Vorschubrichtung betrachtet, tiefer in das Substrat eindringt als in die zu entfernende Beschichtung, d.h. mit zunehmendem radialen Abstand von der Rotationsachse dringt das Werkzeug in Vorschubrichtung betrachtet tiefer oder weiter in das Werkstück ein und hinterschneidet somit mit einem radial außen liegenden Teilabschnitt einer Schneidkante des Werkzeugs die Beschichtung. Ein Hinterschneiden bedeutet in diesem Fall, dass nicht die zu entfernende, gehärtete Beschichtung an sich werkzeugbearbeitet wird, sondern durch ein spannendes Verfahren der Materialbereich des Werkstücks entfernt wird, auf dem die Beschichtung angebracht ist. Da dieser Materialbereich eine geringere Härte aufweist, kann die Beschichtung mit relativ geringem Aufwand zumindest bereichsweise abgetragen werden. Somit trägt das Werkzeug die zu entfernende Beschichtung seitlich ab. Unter einem seitlichen Abtragen ist zu verstehen, dass der Abtrag in einer Querrichtung zu einer Flächenorthogonalen der beschichteten Fläche erfolgt, und zwar in Vorschubrichtung. Eine Schneidkante des Werkzeugs ist durch eine während der Bearbeitung über sie hinweg fließende relativ weiche Substratschicht, z.B. eine Aluminiumschicht, geschützt, so dass ein Kontakt mit dem harten Beschichtungsmatenal reduziert oder vermieden wird. Die Dicke der abgetragenen Substratschicht kann nur wenige Zehntelmillimeter betragen. Wenn es sich bei dem Substrat z.B. um eine Zylinderwand eines Zylinders eines Kurbelgehäuses handelt, erfolgt demnach ein Materialabtrag im Wesentlichen in Axialrichtung des Zylinders.

Es kann zu Beginn des Entfernungsverfahrens erforderlich sein, durch die Beschichtung hindurch einen Durchstich anzubringen, wonach im weicheren Trägermaterial der Beschichtung die weitere Bearbeitung erfolgt. Hierzu weist das Abtragwerkzeug in der Regel eine Schneidrichtung der Schneidkante auf, die vom Radius einer drehenden Arbeitsbewegung abgewinkelt ist, um eine Hinterschneidung der Beschichtung herstellen zu können.

Durch das Hinterschneiden befindet sich das Werkzeug in einem Arbeitswinkel zu der Beschichtung, bei dem der Verschleiß des Werkzeugs reduziert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Vorteilhafterweise ist das spanabhebende Werkzeug eine Schneidplatte.

Vorteilhafterweise verläuft die Vorschubrichtung parallel zu der Rotationsachse. Das Werkzeug kann beispielsweise an einer rotierenden Spindel gehalten sein. Alternativ kann auch das Werkzeug nicht rotierend gelagert sein und das Substrat wird rotiert.

Das Werkzeug kann beispielsweise entlang der Vorschubrichtung verstellbar sein. Alternativ kann auch das Substrat entlang der Vorschubrichtung verstellbar sein. Vorteilhafterweise ist das Werkzeug an einer rotierenden, entlang der Vorschubrichtung verstellbaren Spindel gehalten.

Vorteilhafterweise ist das Werkzeug derart gehalten, dass eine zum Abtragen der Beschichtung vorgesehene Schneidkante des Werkzeugs schräg zu der Vorschub- richtung verläuft, insbesondere in einem Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise von 40° bis 50°. Ein Freiflächenwinkel der Schneidkante kann beispielsweise 10° bis 25°, vorzugsweise 15° bis 20° und insbesondere 16° bis 17° betragen.

Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Erzeugen einer hinterschneidungsfreien Nut, insbesondere einer Ringnut, in einem Teilabschnitt des zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung. Der Teilabschnitt dient insbesondere dem Einführen des Werkzeugs in eine Startposition, bevor das seitliche Abtragen der Beschichtung durch Hinterschneiden der Beschichtung durchgeführt wird. Das Erzeugen der Nut erfolgt insbesondere mit einem anderen Werkzeug als dem für das seitliche Abtragen der Beschichtung vorgesehenen Werkzeug, insbesondere mittels eines bevorzugt rotierenden Schleifwerkzeugs. Die Nut erstreckt sich vorzugsweise durch die zu entfernende Schicht hindurch und insbesondere in das Substrat hinein. Der Teilabschnitt, in den die Nut eingebracht wird, ist in der Regel wesentlich kleiner als der gesamte zu entfernende Teilbereich der Beschichtung, und vorzugsweise gerade so groß, dass das Werkzeug in der Nut aufgenommen wird, um in eine zum Hinterschneiden der Beschichtung geeignete Startposition zu gelangen. Die Fläche der Nut beträgt insbesondere weniger als 50%, vorteilhafterweise weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% der Fläche der zu entfernenden Teilbereichs der Beschichtung. Dadurch wird gewährleistet, dass der Werkzeugverschleiß des hinterschneidenden Werkzeugs möglichst gering ist. Sofern es sich bei dem Substrat um eine Zylinderwand eines Zylinders eines Kurbelgehäuses handelt, kann der zu entfernende Teilbereich der Beschichtung in einem Endabschnitt, insbesondere einem kurbelwellenseitigen Endabschnitt des Zylinders, insbesondere im Bereich eines Honfreigangs, vorgesehen sein. Mit der erfindungsgemäßen Nachbearbeitung kann ein sogenannter Honfreigang, d.h. eine ringartige Aussparung, bearbeitet oder erzeugt oder zumindest das einer Erzeugung des Honfreigangs vorausgehende Entfernen der Beschichtung vorgenommen werden. Nach Erzeugen des Honfreigangs kann die auf den ersten Teilbereich aufgebrachte Be- Schichtung gehont werden. Der Honfreigang wird benötigt, damit ein Honwerkzeug sauber auslaufen kann.

In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Zerspannungswerkzeug, insbesondere ein Schleifwerkzeug zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens vorgeschla- gen. Das Werkzeug umfasst einen an einer Spindel befestigten Werkzeughalter, der zumindest ein, insbesondere zwei radial gegenüberliegende Schneidkanten, bevorzugt auf Schneidplatten angeordnete Schneidkanten, aufweist, die radial verstellbar sind. Die Schneidkanten können in Richtung Spindel oder an einer der Spindel abgewandten Seite am Werkzeughalter angeordnet sein, um durch eine Zug- oder Druckbewegung der Spindel ein Abfräsen der Substratschicht zu ermöglichen.

Somit umfasst eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Werkzeuganordnung einen eine Rotationsachse aufweisenden Werkzeughalter und wenigstens ein eine Schneidkante aufweisendes spanabhebendes Werkzeug, welches an dem Werkzeughalter fest oder lösbar befestigt ist, wobei die Schneidkante von der Rotationachse beabstandet ist, und wobei eine entlang der Schneidkante verlaufende Gerade mit der Rotationsachse einen spitzen Winkel einschließt, so dass sich der Abstand eines Punktes auf der Schneidkante von einer gedachten, orthogonal zur Rotationsachse verlaufenden Stirnfläche mit zunehmendem Abstand dieses Punktes von der Rotationsachse vergrößert. Der Winkel zwischen der Schneidkante und der Rotationsachse beträgt insbesondere zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°. Diese Werkzeuganordnung ermöglicht ein effizientes Hinterschneiden des gehärteten Substrats mit einer niedrigen Verschleißrate und hoher Standzeit der Werkzeuganordnung. Eine radiale Verstellung der Schneidkanten nach Einfahren der Spindel in das Innere eines Hohlzylinders, z.B. in eine Motorgehäusen-Zylinderbuchse ermöglicht im Inneren ein Ausfahren der Schneidkanten und Hinterschneiden der harten Zylinderwandung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und ein Werkzeughalter werden nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

ZE ICH N U N G EN Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen: Fig. 1 bis 7 zeigen Schnittansichten eines zu bearbeitenden Werkstücks und der erforderlichen Werkzeuge und erläutern den zeitlichen Ablauf des Verfahrens;

Fig. 8 zeigt verschiedene Ansichten eines Werkzeughalters mit zwei Werkzeugen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 9 zeigt verschiedene Ansichten des Werkzeughalters von Fig.8;

Fig. 10 zeigt verschiedene Ansichten eines Werkzeughalters mit zwei Werkzeugen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht eines Werkzeugs während des Abtragens einer Beschichtung eines Substrats; Fig. 12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht von Fig. 1 1 .

Ein exemplarischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Figuren 1 bis 7 dargestellt.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es wird beispielhaft das Abtragen eines Teilbereichs 22 einer harten Beschichtung 20 erläutert, die durch ein thermisches Spritzverfahren auf einem weichen Substrat, nämlich einer Innenfläche oder Zylinderwand 12 eines Zylinders 10 eines Aluminium- Kurbelgehäuses 14 eines Verbrennungsmotors aufgebracht wurde.

In Schritt 1 (Fig. 1 ) wird ein rotierbares, im Ausführungsbeispiel konisches Schleif- Werkzeug 16 in einer Mittelposition den Zylinder 10 eingeführt.

In Schritt 2 (Fig. 2) wird das rotierende Schleifwerkzeug 16 auf einer weiter werdenden Kreisbahn an der beschichteten Zylinderwand 12 entlanggeführt, um in radialer Richtung eine Ringnut 18 oder Fase in die Beschichtung 20 einzuschleifen. Da der abzuschleifende Teilabschnitt der Ringnut 18 klein gegenüber einem zu entfernenden Teilbereich 22 der Beschichtung 20 ist, hält sich der Werkzeugverschleiß in Grenzen. In Schritt 3 (Fig. 3) wird das rotierbare Schleifwerkzeug 16 in die Mittel position zurückgefahren und aus dem Zylinder 10 zurückgezogen.

In Schritt 4 (Fig. 4) wird entgegen einer Vorschubrichtung V ein an einer Spindel 24 befestigter Werkzeughalter 26 in den Zylinder 10 eingefahren. Die Spindel 24 ist in und entgegengesetzt der Vorschubrichtung V verstellbar und um eine der Symmet- rieachse S des Zylinders 10 entsprechende Rotationsachse rotierbar.

An einer End- oder Stirnseite des Werkzeughalters 26 sind zwei einander gegenüberliegende, in radialer Richtung verstellbare Klemmbacken 28 vorgesehen, in denen eine jeweilige Schneidplatte 30 als spanabhebendes Werkzeug gehalten ist. Der Werkzeughalter 26 ist nochmals in Fig. 10 mit eingefahrenen (oben) und ausge- fahrenen (unten) Klemmbacken 28 dargestellt.

In Schritt 5 (Fig. 5) werden die Spindel 24 mit dem Werkstückhalter 26 rotiert und die Klemmbacken 28 radial ausgefahren oder ausgesteuert, so dass die Schneidplatten 30 mit ihren Schneidkanten 32 in die zuvor eingeschliffene Fase oder Ringnut 18 eintauchen. In Schritt 6 (Fig. 6) wird der rotierende Werkstückhalter 26 in Vorschubrichtung V entlang der Rotations- bzw. Symmetrieachse S versetzt. Die Schneidkanten 32 der Schneidplatten 30 hinterschneiden dabei die Beschichtung 20 und tragen diese seitlich ab, was detailliert auch in Fig. 1 1 und 12 dargestellt ist. Es wird auch eine dünne Schicht des Substrats, d.h. des Kurbelgehäuses 14 abgetragen. Das Abtragen der Beschichtung 20 durch eine der Schneidkanten 32 ist vergrößert in Fig. 10 und 1 1 dargestellt.

In Schritt 7 (Fig. 7) werden die Klemmbacken 28 in ihre Ausgangspositionen radial eingefahren oder eingesteuert. Der Werkstückhalter 26 wird in Vorschubrichtung V aus dem Zylinder 10 ausgefahren. Eine alternative Ausführungsform eines Werkzeughalters 126, der ebenfalls zwei radial verstellbare Klemmbacken 128 aufweist, in denen eine jeweilige Schneidplatte 130 mit einer Schneidkante 132 als spanabhebendes Werkzeug gehalten ist, ist in Fig. 8 und 9 gezeigt. Während bei dem Werkzeughalter 26 die Schneidplatten 30 auf einer der Spindel 24 zugewandte Seite des Werkzeughalters 26 angeordnet sind, sind die Schneidplatten 130 bei dem Werkzeughalter 126 gemäß Fig. 8 und 9 die Schneidplatten 130 auf der einer Spindel 124 abgewandten Seite angeordnet, so dass in Abhängigkeit vom Anwendungsfall der Abtrag der Beschichtung 20 in einer Vorschubrichtung erfolgen kann, die der Vorschubrichtung V von Fig. 1 bis 7 entge- gengesetzt ist.

Der Werkzeughalter 26 bzw. 126 kann vorteilhafterweise eine Innenkühlung aufweisen, bei welcher Kühlmittel über im Inneren der Spindel 24, 124 und des Werkzeughalters 26,126 vorgesehene Kühlmittelkanäle an die Schneidplatten 30, 130 zugeführt wird. Die Werkzeuganordnung und die Geometrie der Schneidplatte sind im Detail in den Figs. 10 bis 12 dargestellt.

Bezugszeichenliste

Zylinder

Zylinderwand

Kurbelgehäuse, Substrat

Schleifwerkzeug

Ringnut

Beschichtung

Teilbereich

, 124 Spindel

, 126 Werkzeughalter

, 128 Klemmbacke

, 130 Schneidplatte

, 132 Schneidkante