用于机器元件的表面结构化的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种方法和设备，用于实施用于在相对运动的机器元件的接触面的区域内产生凹陷的激光加工方法。该用作微结构的凹陷接着构成用于涂层的优化的附着基础。为使从设备(9)的激光加工头射出的激光射束(4)能够以大于5m/s的希望的高进给速度运动，在保护管(11)的内部设置使激光射束(4)偏转的反射器元件(10)，使得激光加工头和一个未表示的用于机器元件的工件夹头同样能够在加工期间设计为静止的。在这种情况下反射器元件(10)和保护管(11)一起以可围绕对激光射束(4)同轴的转动轴线(12)转动的方式被驱动。
【专利说明】用于机器元件的表面结构化的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于机器元件的表面结构化的方法，特别在活动的机器元件的接触面的区域内，其中在所述机器元件的一个接近表面的区域内借助电磁射线尤其作为微结构化地产生许多凹陷或产生尤其作为微结构的许多凹陷并且接着涂装一个涂层。此外本发明涉及一种用于机器元件的表面结构化的设备。
【背景技术】
[0002]所述类型的一种方法在表面结构化的领域作为用于随之要设置的涂层的附着基础的预处理已经公知。
[0003]这里电磁射线基础上的这种射线方法显著与在实际中还经常使用的使用磨损性粒子的射线方法不同，后者首先鉴于必须为无残留物地去除这些粒子所需要的花费表明是有缺点的。
[0004]一类涂层方法例如在DE 102 41 846 Al中说明，其中通过去除接近表面的层来放大内燃机的活塞表面改善的附着特性。在所述层的去除之后涂装一个涂层，其在固化后构成一个持久的涂层。
[0005]为此在结构元件的表面内借助电磁射线特别借助激光射线在表面内产生许多凹陷，例如底切，其中能够这样调整射线，使得接近表面的物质被升华。结构元件的要除去的材料通过激光射线蒸发，并且能够由此没有问题地借助压缩空气从凹陷中去除。同时在表面上附着的粒子或者残留物也被蒸发，以致可以免除表面的准备的、特别是化学的清洁。所述凹陷例如以5至5000 μ m之间的深度以及以I至1000 μ m之间的直径产生。
[0006]从DE 36 34 708 Al中获知一种涂层方法，其中说明机器零件特别是活塞环的制造。为此在一个承受滑动摩擦的运行面上使用一个电镀的硬铬涂层进行涂层。该涂层具有在所述运行面上栅格式分布设置的、延伸直到在基材内的凹陷。这些凹陷已经在涂装涂层前借助激光射束在基体内产生，使得这些凹陷在表面清洁后的均匀涂层时还在该涂层中成像。
[0007]DE 10 2007 023 418 B4涉及一种方法，用于通过在构成显微式的底切的情况下打毛表面，打毛结构部件表面，特别是金属表面，为改善在其上热喷射的层的附着。这样的金属结构部件例如是用于内燃机的汽缸衬套或者气缸体曲轴箱或者用于内燃机的连杆。为此在构成显微式的底切的情况下借助脉冲式的激光射束打毛所述表面，其中激光射束还可以在所述表面上倾斜地作用。通过脉冲式激光取决于能量密度、焦点大小和衬底材料产生一种规定的形状口袋(Formtasche)。通过一种几乎爆炸式的材料削除所述材料完全蒸发，不会围绕孔的边缘淤积或者沉淀干扰的材料。
[0008]此外WO 96/33837 Al说明了一种用于具有金属的载体材料的工件块的表面准备的方法，其中进行表面的熔化，以便例如通过蒸发去除附着的层。
【发明内容】
[0009]在这种背景下本发明所要解决的技术问题在于，提供一种开始时提到的类型的方法，使得能够迅速地和高效率地执行加工并且不必对要提供涂层的机器元件进行后处理。此外本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于执行本方法的设备。
[0010]所述技术问题通过一种用于机器元件的表面结构化的方法解决，特别在可动的机器元件的接触面的区域内，其中借助电磁射线在所述机器元件的一个接近表面的区域内尤其微结构化地产生凹陷或产生尤其作为微结构的凹陷，其中，所述电磁射线作为激光器的激光射线指向机器元件的表面，该激光射线在最大0.0lmm2的面积上具有大于800W的功率，焦点相对于机器元件的进给速度在5m/s和50m/s之间，特别在5m/s和20m/s之间。
[0011]也就是说根据本发明提供一种方法，其中电磁射线作为通过一个激光器特别是一个单模激光器例如一个纤维激光器的激光射线通过一个反射器元件向机器元件的表面上偏转，所述激光射束在最大0.0lmm2的面积上具有大于800W的功率,焦点相对于机器元件的进给速度在5m/s和50m/s之间，特别在5m/s和20m/s之间。由此实现一种对机器元件的能量输入，通过该能量输入以惊人的简单方式通过爆炸式地蒸发一部分产生的熔液以高的速度同时受控地喷出滞留的残余熔液。与要么较小的能量输入导致必须通过附加的辅助剂去除熔液；或者使用较高的能量输入来完全蒸发要去除的材料成分的现有技术相比，根据本发明显著加速材料的去除。通过高的进给速度所述熔液以对激光射束的工作方向的可调整的角度离开如此产生的凹陷。根据本发明为此一个聚焦的、具有较大功率和高的最小进给速度的激光射束相对在提供有凹陷的表面上运动，使得机器元件在该激光射束的焦点的区域内的材料被爆炸式地升华并且所述表面由此部分地破裂或者产生沟痕。与表面的赤裸的熔化相反，通过爆炸式地升华避免熔液在激光射线的焦点的后面汇合。通过爆炸式地升华所述材料同时清洁所述表面，因为表面的污染物和氧化物同样被升华或者通过爆炸的等离子体的动能被抛开。
[0012]在这种情况下激光射束在所述表面上被聚焦在一个较小的点上。在500mm的焦距的情况下有利的焦点直径在20 μ m和100 μ m之间，特别约为50 μ m。在这种情况下特别有利的是最小进给速度为16m/s以及激光功率为lkW。
[0013]在通过所述凹陷构成的图案中可以产生具有微小间隔的线。为此所述凹陷以10 μ m至50 μ m之间的深度，特别最大到40 μ m、和具有50 μ m和200 μ m之间的宽度在所述表面内产生。由此能够显著提高线密度，其中能够在仅I毫米的宽度上实现直到15条线。
[0014]功率取决于机器元件的材料特性，其中激光射线在把铝作为基本材料成分的材料的情况下以在最大0.0lmm2的面积上具有从800W到2kW的功率、或者在基本上由灰铸铁组成的材料的情况下以在最大0.0lmm2的面积上具有从1.5kff到3kW的功率指向机器元件的要去除的区域。在这种情况下激光功率可以参照进给速度以及材料特性和表面对于激光射线的吸收度优化。
[0015]尤其凹陷的产生以线状连续的或者间断的方式进行，其中所述凹陷至少局部按照正弦形和/或矩形被加工，由此能够实现熔液的加强抛出同时实现高的进给速度，其中凹陷的不同的图案或者结构可以互相补充或者重叠。尤其这样产生具有平行的、在钻孔的情况下螺旋状的线的线结构或者具有交叉的线的格子和菱形结构以及圆形或者椭圆形的结构。随机的或者不规则的结构也可以借助激光射线在表面内作为凹陷产生。
[0016]所述凹陷优选以垂直于应力方向的取向在表面内产生，它在必要时也可以与平面法线偏离。为此电磁射线相对机器元件的表面区域的平面法线呈锐角，特别倾斜相交成一个在30°至60°之间的夹角地，沿进给运动的方向定向，使得在高进给速度的情况下把熔液按一个相对于激光射束工作方向的相应的角度从凹陷中抛出。
[0017]不言而喻，本发明的方法不限于规定的机器元件，相反可望成功地在几乎所有技术的应用领域内使用。作为特别可期望的是该方法在下面那些机器元件中的应用已被证明，它们是内燃机的零件特别是活塞或者传动装置的零件，或者作为活塞式发动机或者活塞式压缩机的汽缸镜面、汽缸体曲轴箱、汽缸孔、连杆轴承、连杆轴颈轴承、空中和宇宙航行或者动力站中的涡轮机零件例如涡轮机叶片、压缩机叶片等提供。
[0018]这样按照本发明产生的凹陷由于良好的表面质量，其特别没有残留物和附着物，适合不用另外的预处理的涂装涂层，使得能够通过热喷射或者通过涂漆设置涂层。
[0019]第二所要解决的技术问题，即创造一种用于执行所述方法的设备，根据本发明通过具有一个可围绕它的中央纵轴线可转动地和/或平动运动地驱动的、用于向机器元件的表面的要加工的区域上偏转激光射束的反射器元件解决。由此以简单的方式实现激光射束向所述表面的希望的偏转和焦点向机器元件的表面的进给速度，不需为此使激光加工头或者机器元件运动。在汽缸孔的情况下使激光射束尤其平行于汽缸中轴线对准。向汽缸孔的内壁面的几乎任意表面点的偏转借助可动的反射器元件实现，该反射器元件例如至少局部设计为圆锥形。通过圆锥形的反射器元件平行于汽缸中轴线的平动的运动，焦点在轴向移动，而反射器元件在汽缸孔的横截面内的平动的运动允许向汽缸内壁面的任意圆周区域偏转。
[0020]在这种情况下当所述设备具有至少一个射束分配器，用以同时在机器元件的表面上实现多个焦点时，也已经被证明是有利的。为此例如部分透明的镜子是适宜的。
[0021]在本发明的设备的另一个同样特别适宜的设计方案中，反射器元件在一个保护管内设置并且可与其一起被驱动运动，其中所述保护管具有至少一个用于被偏转的激光射束的通孔。在这种情况下激光射束在端面通过保护管的开口截面耦合进入并且在一个由该管包围的例如作为平面镜实现的反射器元件偏转，使得激光射束通过所述通孔被偏转到汽缸孔的内壁面上。在保护管的内部反射器元件这样被优化地保护不被污染或者损坏。
[0022]另外根据本发明的设备的另一个有意义的扩展，为产生空气流而提供空气输入设备和/或抽吸装置。例如这样可以在保护管的内部产生过压。通过该过压避免气体状的或者固体的外部物质通过通孔进入保护管内。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]本发明允许大量的实施方式。为进一步说明它的基本原理，在附图中表示并且在下面说明这些实施方式中的一个。附图中:
[0024]图1示出用于借助激光射线使用圆锥形反射器元件处理机器元件的设备；
[0025]图2示出另一个用于使用一个在一个旋转运动的保护管内设置的反射器进行激光加工的设备；
[0026]图3不出在图2中不出的具有一个射束分配器的设备的一种变体；
[0027]图4示出在图2中示出的、容纳反射器的保护管的放大的细节图；
[0028]图5示出在图4中示出的变体，其具有用于激光射束的、包括一个贯通孔的射线通道的保护管。
【具体实施方式】
[0029]下面根据图1到5详细说明本发明的用于执行一种激光加工方法的设备I。设备I用于在相对运动的、这里作为用于未示出的活塞的汽缸运行面示范地示出的机器元件2的接触面的区域内产生凹陷。这些用作微结构化的凹陷接着构成用于一个以公知方式涂装的涂层的一个优化的附着基础。
[0030]为使从激光加工头3发射的激光射束4能够以希望的大于5m/s的高的进给速度沿机器元件2的汽缸内壁面5运动，在汽缸钻孔7内可动地设置一个可变地偏转激光射束4的反射器元件6，使得激光加工头3像一个未示出的用于机器元件2的工件夹头一样能够在加工期间不动地实施。
[0031]如从在图1中示出的变体所看出的那样，反射器元件6具有一个基本上为圆锥形的基本形状并且在汽缸钻孔7内可动地设置，使得激光射束4在圆锥侧面8上反射。通过在X轴线、Y轴线和Z轴线的方向上彼此独立地平动地引导反射器元件6运动，激光射束4能够到达汽缸内壁面5的加工区域内的每一点。通过使反射器元件6在Z轴线的方向上运动，激光焦点同样平行于Z轴线沿汽缸内壁面5移动，而沿汽缸横截面的圆周线偏转单独通过反射器元件6在X轴线和Y轴线的方向的运动实现。在这种情况下激光射束4以有利的方式以一个预先规定的角度α，特别平行于汽缸内壁面5的平面法线或者以一个对它的锐角撞击汽缸内壁面5。
[0032]与此相对图2示出一个设备9，其中在这里装备有一个平面镜的反射器元件10设置在保护管11内。在这种情况下反射器元件10和保护管11可被一起围绕和激光射束4同轴的转动轴线转动地驱动。激光射束4首先在端面耦合到保护管11的内部并且在反射器元件10上偏转约90°，使得激光射束4穿过通孔13从保护管11射出撞到汽缸内壁面5上。此外保护管11还竖直地在Z轴线的方向上可动地设置，使得几乎能够到达汽缸内壁面5的所有区域。由于转动运动,相对于平动运动能够实现激光射束4在汽缸内壁面5上显著更高的移动速度。
[0033]在图3中示出的图2示出的设备9的变体方案中激光射束4在保护管11的内部首先撞到一个射束分配器14上，后者作为一个半透明的镜子实现。在这种情况下第一分射束4a不改变方向行进，穿过射束分配器14并且在反射器元件10上偏转，使得该分射束4a通过通孔13射出。相反第二分射束4b已经在射束分配器14上偏转并且平行于第一分射束4a通过第二通孔15从保护管11中射出。由此实现通过两个同步运动的焦点的更短的加工持续时间。
[0034]图4示出在图2中示出的设备9的保护管11的一个放大的视图。如所看到的那样，激光射束4在端面进入保护管11内并且在棱柱形的反射器元件19上如此偏转，使得激光射束4能够通过通孔13射出。仅说明性地示出空气供给管线16，通过它给保护管11供给带有过压的大气。以这种方式可靠地避免外部物质特别是被去除的表面材料的挥发性成分通过通孔13进入保护管11的内部。
[0035]一个在图5中示出的、根据在图2中示出的设备9的保护管11的变体用于类似的目的，其中保护管11在很大程度上被封闭实现。为此在端面例如可以嵌入一个对于激光射束4的波长透明的窗口。为避免由于激光作用在汽缸内壁面5的表面内通过去除而释放的挥发性成分不希望地移动到由套管形射线通道17围起来的用于激光射束4的通孔13的区域内，提供一个圆环形的空气输入设备18。该空气输入设备18用于产生在保护管11和汽缸内壁面5之间的环形间隙内的均匀的空气流动。这一变体方案优选适合那样的机器元件，其中某个钻孔特别是汽缸孔作为通孔实现，使得能够在背离空气输入设备18的一侧提供空气抽吸装置。
[0036]在所有图示的变体方案中特别提供公知的措施，通过该措施能够使焦点位置相应于激光加工头3和激光焦点之间的射线路径的变化的长度被制导，使得能够在不同的加工区域内保证恒定的焦点直径。
【权利要求】
1.一种用于机器元件(2)的表面结构化的方法，特别在可动的机器元件(2)的接触面的区域内，其中借助电磁射线在所述机器元件(2)的一个接近表面的区域内尤其作为微结构化地产生凹陷，其特征在于，所述电磁射线作为激光器的激光射线指向机器元件(2)的表面，该激光射线在最大0.0lmm2的面积上具有大于800W的功率,焦点相对于机器元件(2)的进给速度在5m/s和50m/s之间,特别在5m/s和20m/s之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹陷以10μ m至50 μ m、优选最大到40μπι的深度、和具有50μπι至200μπι之间的宽度在机器元件(2)的接近表面的区域内产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射线在铝作为基本材料成分的材料的情况下以在最大0.0lmm2的面积上具有从800W到2kW的功率、或者在基本上由灰铸铁组成的材料的情况下以在最大0.0lmm2的面积上具有从1.5kff到3kW的功率指向机器元件⑵的区域。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述凹陷线状地被加工并且至少局部按照正弦形和/或矩形被加工。
5.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，激光射线相对机器元件的表面区域的平面法线呈锐角地，尤其倾斜相交成一个在30°至60°之间的夹角地，沿进给运动方向定向。
6.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，特别通过热喷射或者涂漆在机器元件(2)的激光结构化了的区域上涂装涂层。
7.一种用于机器元件(2)的表面结构化的设备(1、9)，其中借助电磁射线在所述机器元件(2)的接近表面的区域内尤其作为微结构化地产生凹陷，具有可转动地和/或平动运动地驱动的反射器元件(6、10)，用于向机器元件(2)的表面的要加工的区域上偏转电磁射线。
8.根据权利要求7所述的设备(9)，其特征在于，所述设备(9)具有至少一个射束分配器(14)ο
9.根据权利要求7或8所述的设备(9)，其特征在于，所述反射器元件(10)在保护管(11)内设置并且可与其一起被驱动运动，并且所述保护管(11)具有至少一个用于被偏转的激光射束(4a、4b)的通孔(13、15)。
10.根据权利要求7到9中至少一项所述的设备(9)，其特征在于，所述设备(9)为产生空气流而装备空气输入设备(16、18)和/或抽吸装置。
【文档编号】B23K26/08GK104148804SQ201410293321
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】M·维索普, K·施密特, M·德姆勒, A·纳克, D·什切潘斯基, T·哈默 申请人:大众汽车有限公司, 奥迪股份公司