用于涂覆內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的方法
【專利說(shuō)明】用于涂覆內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于涂覆內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的方法，其中，所述氣缸壁被預(yù)先粗糙化以便改進(jìn)涂層的粘附性。
[0002]由于重量的原因，機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)通常被設(shè)計(jì)為具有由輕金屬、尤其是鋁合金制成的氣缸體曲軸箱。然而，其問(wèn)題在于，由于輕金屬的摩擦學(xué)特性、特別是其較差的耐磨性，由氣缸體形成的氣缸壁僅不足夠適合作為活塞的滑動(dòng)面。
[0003]為了避免這些問(wèn)題，在具有由輕金屬制成的氣缸體曲軸箱的許多內(nèi)燃機(jī)中設(shè)置有例如由灰鑄鐵制成的氣缸套，由此輕金屬的優(yōu)點(diǎn)(低的比重)能夠與灰鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)(良好的摩擦學(xué)特性)相結(jié)合。
[0004]替代地，已知輕金屬氣缸體曲軸箱的氣缸壁具有涂層，以實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)面的期望摩擦學(xué)特性。其中，這種涂層通常通過(guò)熔化涂層材料并且將其噴涂到氣缸壁上來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]在氣缸壁的涂覆中實(shí)現(xiàn)涂層在基底材料上的良好粘附是尤為重要的。為此，已知，氣缸體曲軸箱的氣缸壁在被涂覆之前被粗糙化，以便增加層之間的接觸面。多次嘗試在被粗糙化了的氣缸壁中形成使熔化的涂層材料能夠灌入其中的底切，以便在硬化之后實(shí)現(xiàn)與氣缸壁的形狀鎖合連接。
[0006]已知使氣缸壁粗糙化的各種不同的可能方式。
[0007]—方面，使用被稱為“高壓噴射”的方法，在所述方法中利用(固體)顆?；蛞后w對(duì)氣缸壁高壓噴射。因此，壁材料的顆粒被碎裂，并且壁材料逐點(diǎn)地塑性變形。特別地，利用借助于壓縮空氣傳送的沙子或金剛砂的噴射以及利用水或乳劑的噴射被廣泛使用。壓縮空氣或液體由此在通常1500bar至3500bar的非常高的壓強(qiáng)下從使用的噴嘴傳送。高壓噴射的一個(gè)缺點(diǎn)在于噴嘴由于高壓以及可能與研磨材料接觸而快速磨損。此外，難以符合形狀和位置的容差并且因此涉及到巨大的開(kāi)支。最后，這涉及到所使用介質(zhì)的高消耗，這在一些情況下還可能涉及到在介質(zhì)的準(zhǔn)備回收上花費(fèi)大量工作。
[0008]還已知使氣缸壁機(jī)械地粗糙化。這能夠例如通過(guò)粗研磨或開(kāi)槽等實(shí)現(xiàn)。在此使用一個(gè)或更多個(gè)工具在切削或非切削過(guò)程中在氣缸壁中形成槽或切口。
[0009]例如從DE 10 2009 027 200 B3已知，為了使氣缸壁粗糙化，在第一個(gè)方法步驟中將具有特別是矩形或梯形的橫截面的螺旋槽引入氣缸壁中。這既可以通過(guò)切削，也可以通過(guò)非切削工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。接著在第二步驟中，在槽之間螺旋延伸的肋部逐漸地在徑向上塑性變形以形成底切。為了引入槽，使用具有單個(gè)刀片的工具，其中，該工具既可以被轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)，也可以沿著氣缸的縱軸線軸向地移動(dòng)。
[0010]為了后續(xù)涂覆而準(zhǔn)備氣缸壁的替代方法包括化學(xué)和電粗糙化、刷涂和粘附性底漆嗔涂。
[0011]從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)將涂層固定到氣缸壁上的質(zhì)量。
[0012]通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的方法實(shí)現(xiàn)了該目的。根據(jù)本發(fā)明的方法的有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題并且在本發(fā)明的下面描述中被解釋。
[0013]本發(fā)明基于:形成氣缸的氣缸體的基底材料的質(zhì)量在重要程度上決定了涂層在氣缸壁上的粘附性。氣缸體大部分通過(guò)鑄造制造，這不可避免地涉及不均勻的形成，例如空隙、孔隙或其他結(jié)構(gòu)缺陷。這些不均勻可能對(duì)涂層的粘附性具有不利影響，這是由于在缺陷位置處可能存在涂層在基底材料上的不充分粘接。
[0014]從這點(diǎn)出發(fā)，本發(fā)明基于如下理念，即在粗糙化之前盡可能已經(jīng)消除至少在表面附近的不均勻。
[0015]為此，用于涂覆在涂覆之前被粗糙化的內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的一般方法被進(jìn)一步發(fā)展為在粗糙化之前使氣缸壁通過(guò)塑性變形而被至少部分地?cái)D壓(verdichtet)。
[0016]通過(guò)擠壓氣缸壁，特別地能夠使結(jié)構(gòu)空隙密閉并且因此使孔隙度減小。僅松散地引入基底材料的顆粒能夠被更緊實(shí)地固定。這能夠確保后續(xù)施加的涂層更好地固定到基底材料。
[0017]而且，經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的方法的擠壓還能夠從根本上提高圍繞著氣缸的基底材料的強(qiáng)度。由此能夠減少在內(nèi)燃機(jī)的后續(xù)工作期間氣缸變形的危險(xiǎn)。
[0018]“粗糙化”應(yīng)被理解為在氣缸壁中引入或暴露多個(gè)凹部。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中可見(jiàn)，氣缸壁僅部分地被擠壓、尤其是以交替順序產(chǎn)生氣缸壁的幾個(gè)擠壓和未擠壓部分。這特別地能夠簡(jiǎn)化和/或加速在擠壓之后的氣缸壁的粗糙化。特別地，能夠利用與氣缸壁的擠壓部分相比，使用更少的力或更少的能量就能夠磨蝕未擠壓部分的事實(shí)。相反地，在粗糙化過(guò)程中使用基本上相同的力或能量產(chǎn)生例如與從DE 10 2009 027 200 B3中已知的槽結(jié)構(gòu)相似的氣缸壁結(jié)構(gòu)，即特別地具有一個(gè)或更多個(gè)周向、尤其是螺旋形周向槽。而且，還能夠有利的是，根據(jù)本發(fā)明形成的槽結(jié)構(gòu)能夠具有更少的精確形成的拐角和邊緣，因此，能夠減少這些拐角和邊緣可能具有的、特別是在具有凹陷形狀的槽結(jié)構(gòu)的涂層中的切口效應(yīng)。
[0020]特別優(yōu)選地，能夠是通過(guò)利用(至少一種)液體(例如水或乳劑)和/或顆粒(例如沙子和/或金剛砂)介質(zhì)噴射來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙化。這能夠具有的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)借助于介質(zhì)產(chǎn)生的在未擠壓部分中的基底材料的增大的磨蝕，形成與例如從DE 10 2009 027 200 B3已知的槽結(jié)構(gòu)相似的宏觀結(jié)構(gòu)，該宏觀結(jié)構(gòu)還被具有許多微型凹部的微觀結(jié)構(gòu)覆蓋，所述微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于通過(guò)噴射進(jìn)行粗糙化而言是典型的。總之，由此可實(shí)現(xiàn)涂層在氣缸壁上的特別良好的鎖合和因此的粘附性。
[0021]“微型凹部”被理解為是指其尺寸小于由于僅部分?jǐn)D壓而暴露的凹部結(jié)構(gòu)(宏觀結(jié)構(gòu))的相應(yīng)尺寸(特別地對(duì)應(yīng)于所述相應(yīng)尺寸的一小部分)的凹部。
[0022]除了噴射之外，還能夠通過(guò)暴露于激光和/或通過(guò)機(jī)械加工來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙化，其中，僅部分地?cái)D壓氣缸壁的優(yōu)點(diǎn)在這些方法中都能夠被利用。
[0023]“機(jī)械粗糙化”被理解為是指借助于安裝在加工機(jī)器上的至少一個(gè)工具利用切削或非切削方法(即通過(guò)塑性變形)通過(guò)直接接觸在氣缸壁中產(chǎn)生凹部的過(guò)程。
[0024]能夠以現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何技術(shù)和方式來(lái)實(shí)現(xiàn)涂覆，其中，優(yōu)選可使用將在熔融狀態(tài)中的涂覆材料噴涂到氣缸壁上并在其上硬化的熱噴涂方法。熱噴涂方法的示例包括電弧絲噴涂和等離子涂覆。
[0025]參照附圖中示出的示例性實(shí)施例，在下面更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，在這些附圖中:
[0026]圖1:示出了作為根據(jù)本發(fā)明的用于涂覆氣缸壁的方法的第一步驟的、氣缸壁的部分?jǐn)D壓；
[0027]圖2:示出了待利用用于擠壓的工具涂覆的氣缸的俯視圖；
[0028]圖3:示出了作為根據(jù)本發(fā)明的用于涂覆氣缸壁的方法的第二步驟的、氣缸壁的噴射；
[0029]圖4:示出了噴射之后的氣缸壁；
[0030]圖5:示出了作為根據(jù)本發(fā)明的方法的第三步驟的、氣缸壁的涂覆;和
[0031]圖6:示出了作為替代根據(jù)本發(fā)明的用于涂覆氣缸壁的方法的第一步驟的、與部分?jǐn)D壓相反的、氣缸壁的全面擠壓。
[0032]圖1至5以圖解方式示出了根據(jù)本發(fā)明的、用于涂覆由氣缸體曲軸箱1形成的氣缸2的(氣缸)壁的方法的不同步驟，以及為此使用的設(shè)備。
[0033]氣缸體曲軸箱1能夠被設(shè)計(jì)為由輕金屬、特別是由鋁合金制成的鑄造構(gòu)件。鑄造構(gòu)件、特別是氣缸壁還能夠在實(shí)施下述的本發(fā)明的方法之前被機(jī)械加工、特別是被銑磨和/或拋光。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一步驟中，通過(guò)氣缸體曲軸箱1的基底材料的部分塑性變形而在氣缸壁的表面附近(部分地)擠壓氣缸壁。為此使用包括多個(gè)滾光體4的滾光工具3，所述滾光體4具有圍繞其外表面延伸的外圍凹部5。滾光體4在周邊周圍被布置在滾光工具3的基體6的凹部中，并且在徑向上突出超出基體6的外側(cè)。被轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的滾光工具3沿著氣缸2的縱軸線7移動(dòng)，其中，塑性變形被實(shí)現(xiàn)為由滾光體4形成的(最大)圓周在直徑上比氣缸2(在擠壓前)的內(nèi)徑更大。通過(guò)滾光體4的初始部分的錐形設(shè)計(jì)能夠?qū)L光工具3插入氣缸2中。氣缸壁的當(dāng)與滾光體4接觸時(shí)被布置在凹部5的區(qū)域中的那些部分沒(méi)有被壓緊，或者僅輕微地被擠壓。氣缸壁的部分?jǐn)D壓導(dǎo)致在其中形成槽的凹部與之間的肋部交替的結(jié)構(gòu)，其中肋部沒(méi)有被擠壓或不那么被擠壓。替代地，部分被擠壓的氣缸壁還能夠被實(shí)現(xiàn)為氣缸壁的由滾光工具3限定的區(qū)域沒(méi)有被行進(jìn)過(guò)。
[0035]滾光工具3的滾光體4被布置為繞著基體6的縱軸線8均勻分布，所述縱軸線在使用滾光工具3期間優(yōu)選與氣缸2的縱軸線7共軸。由此可實(shí)現(xiàn)，分別由兩個(gè)相對(duì)滾光體4向基體6傳遞的反作用力能夠大致地彼此平衡。由此可減少滾光工具3和驅(qū)動(dòng)其(未示出)的裝置的負(fù)載。
[0036]在擠壓之后，氣缸壁被噴射(參見(jiàn)圖3)。為此，在高壓(例如500bar到3500bar，特別地1500bar到3500bar)下借助于噴嘴9將諸如水之類的介質(zhì)施加到氣缸壁，所述噴嘴能夠例如被設(shè)計(jì)為常規(guī)的圓形噴嘴或扁平噴嘴。因此，氣缸體曲軸箱1的基底材料在表面附近被不均勻地磨蝕，其中在未擠壓部分(肋部)中的磨蝕大于擠壓部分(槽)中的磨蝕。這能夠?qū)е略跀D壓之后起初形成肋部的未擠壓部分在噴射后形成結(jié)構(gòu)的槽(參見(jiàn)圖4，其中還以虛線表示在噴射前存在的結(jié)構(gòu))。此外，在所有部分中產(chǎn)生不規(guī)則地形成和布置的微型凹部，這能夠特別地導(dǎo)致改善最終施加到經(jīng)加工的氣缸壁的涂層的粘附性。
[0037]涂層隨后被施加到經(jīng)加工的氣缸壁(參見(jiàn)圖5)。其作為在內(nèi)燃機(jī)氣缸2中被引導(dǎo)的活塞的滑動(dòng)面。能夠特別地借助于熱噴涂(例如電弧絲噴涂)施加涂層，為此，噴涂頭10以已知的方式被轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)并且沿著氣缸2的縱軸線7移動(dòng)。熔融涂層材料由此能夠灌入槽和微型凹部中，填充它們，并且在硬化后形成涂層和氣缸壁之間的牢固粘接。
[0038]圖6示出了作為替代根據(jù)本發(fā)明的用于涂覆氣缸壁的前述方法的第一步驟的、氣缸壁的全面擠壓。“全面”被理解為是指氣缸壁的被用于擠壓的工具加工或經(jīng)其行進(jìn)過(guò)的整個(gè)部分都被擠壓。這不旨在排除沒(méi)有以這種方式加工因此也沒(méi)有被擠壓的氣缸壁部分。對(duì)于全面擠壓，使用具有基本上為圓柱形外表面的滾光體4。
[0039]如果氣缸體曲軸箱1具有多于一個(gè)的氣缸2，則根據(jù)本發(fā)明，同時(shí)加工多個(gè)、尤其全部的氣缸2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于涂覆內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的方法，其中，所述氣缸壁在被涂覆之前被粗糙化，其特征在于，在粗糙化之前使所述氣缸壁通過(guò)塑性變形而被擠壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣缸壁僅被部分?jǐn)D壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，以交替順序產(chǎn)生所述氣缸壁的幾個(gè)被擠壓和未被擠壓的部分。4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，通過(guò)利用液體或顆粒介質(zhì)進(jìn)行噴射來(lái)實(shí)現(xiàn)所述粗糙化。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于涂覆內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的方法，其中，所述氣缸壁在被涂覆之前被粗糙化，其特征在于，在粗糙化之前使所述氣缸壁通過(guò)塑性變形而被擠壓。
【IPC分類】C22F1/04, C23C4/02, C23C4/12, C21D7/08, F16J10/04, F02F1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105492647
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201480045431
【發(fā)明人】沃爾弗拉姆·瓦格納, 帕特里克·沃伊賽特施萊格
【申請(qǐng)人】寶馬股份公司, 慕尼黑工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2014年7月31日
【公告號(hào)】DE102013013830A1, EP3036350A1, US20160193626, WO2015024628A1