Verfahren und Vorrichtung zur Innenbeschichtung von Hohlräumen durch thermisches Spritzen Process and device for the internal coating of cavities by thermal spraying
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenbeschichtung von rotationssyrr-metrischen, insbesondere zylindrischen Hohlräumen an Werkstücken durch thermisches Spritzen, mit einem Brenner zum Spritzen eines Beschichtungswerkstoffes , wobei der Brenner an einer Positioniereinrichtung zumindest in einer Richtung positionierbar aufgenommen ist, mit einer rotierend antreibbaren Drehaufnahme, insbesondere einem Drehteller, auf dem eine Werkstückaufnahme für ein Werkstück vorgesehen ist, die mittels einer Führungseinrichtung relativ zum Brenner positionierbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Innenbeschichtung von rotationssymmetrischen, insbesondere zylindrischen Hohlräumen an Werkstücken durch thermisches Spritzen mit Hilfe eines Brenners, dem ein Spritzwerkstoff zugeführt wird, bei dem der Brenner an einer Positioniereinrichtung gehalten ist und das Werkstück relativ zum Brenner rotierend bewegt wird, wobei der zu beschichtende Hohlraum relativ zur Achse des Brenners zentriert wird.The invention relates to a device for internally coating rotationally symmetrical, in particular cylindrical cavities on workpieces by thermal spraying, with a burner for spraying a coating material, the burner being accommodated on a positioning device at least in one direction, with a rotationally drivable rotary mount, in particular a turntable on which a workpiece holder for a workpiece is provided, which can be positioned relative to the burner by means of a guide device. The invention further relates to a method for the internal coating of rotationally symmetrical, in particular cylindrical cavities on workpieces by thermal spraying with the aid of a burner, to which a spray material is fed, in which the burner is held at a positioning device and the workpiece is rotated relative to the burner, whereby the cavity to be coated is centered relative to the axis of the burner.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art sind aus M. Buchmann et al., "Solid lubricant containing coatings for cylinder liners in pressure casted aluminum crankcase", Proceedings of the l3 International Thermal Spray Conference, 8.-11. Mai 2000, Montreal, S. 303-308 bekannt.An apparatus and a method of this kind are known from M. Buchmann et al., "Solid lubricant Containing coatings for cylinder liners in pressure casted aluminum crankcase", Proceedings of the l 3 International Thermal Spray Conference, 8.-11. May 2000, Montreal, pp. 303-308.
Danach ist der Brenner feststehend an einer Positioniereinrichtung aufgenommen, während das Werkstück auf einem rotierend antreibbaren Drehteller aufgespannt ist.The burner is then fixedly received on a positioning device, while the workpiece is clamped on a rotating drivable turntable.
Diese Anordnung hat Vorteile gegenüber den bisher üblichen Vorrichtungen mit feststehendem Werkstück und rotierendem Brenner, der in den Hohlraum des zu beschichtenden Werkstücks, in der Regel tetaktet, z.B. in linear angeordneten Transferstraßen, eingefahren wird. Insgesamt kann so nämlich mit einem größeren Abstand gearbeitet werden, wodurch sich eine größere Aufweitung des Brennerstrahls ergibt, was eine gleichmäßigere Oberfläche der Beschichtung ermöglicht. Auch kann mit höheren Strahlgeschwindigkeiten gearbeitet werden, wodurch die Qualität der Beschichtung deutlich verbessert ist.
Nicht bekannt aus der vorgenannten Veröffentlichung ist allerdings der genaue Aufbau der Vorrichtung, der für ein sicheres und störungsfreies Beschichtung auch von größeren Werkstücken, wie etwa bei der Beschichtung von Zylinderlaufflächen und - buchsen von Kurbelgehäusen für Leichtmetallmotoren, notwendig ist.This arrangement has advantages over the hitherto customary devices with a stationary workpiece and a rotating torch, which is usually clocked into the cavity of the workpiece to be coated, as a rule, for example in linearly arranged transfer lines. Overall, a greater distance can thus be worked, which results in a greater widening of the burner beam, which enables a more uniform surface of the coating. It is also possible to work with higher jet speeds, which significantly improves the quality of the coating. However, the exact structure of the device is not known from the aforementioned publication, which is necessary for a safe and trouble-free coating of larger workpieces, such as in the coating of cylinder liners and liners of crankcases for light metal engines.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der eingangs genannten Art derart zu verbessern, das auch bei größeren Werkstücken eine sichere und störungsfreie Beschichtung an Innenoberflächen ermöglicht wird, wobei der Prozeß auch für eine Serienfertigung mit großen Stückzahlen und kurzen Durchlaufzeiten geeignet sein soll.The invention is therefore based on the object to improve a device and a method according to the type mentioned in such a way that a safe and trouble-free coating on inner surfaces is also possible with larger workpieces, the process also for series production with large numbers and short throughput times should be suitable.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Führungseinrichtung mindestens eine erste Linearführung mit einer ersten Antriebseinrichtung zur Positionierung der Werkstückaufnahme aufweist, sowie mindestens eine zweite Linearführung mit einer zweiten Antriebseinrichtung zur Positionierung mindestens eines Ausgleichsgewichtes aufweist, wobei die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung in entgegengesetzter Richtung angetrieben sind.This object is achieved in a device according to the type mentioned at the outset in that the guide device has at least one first linear guide with a first drive device for positioning the workpiece holder, and at least one second linear guide with a second drive device for positioning at least one counterweight, the first Drive device and the second drive device are driven in the opposite direction.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine durch eine Bewegung des Werkstückes verursachte Unwucht durch Bewegung mindestens eines Ausgleichsgewichtes kompensiert wird.The object of the invention is further achieved in a method of the type mentioned at the outset in that an imbalance caused by movement of the workpiece is compensated for by movement of at least one counterweight.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß wird nämlich eine durch die notwendige Zentrierung des zu beschichtenden Hohlraums in bezug auf den Brenner verursachte Unwucht durch ein Ausgleichsgewicht ausgeglichen. Auf diese Weise können auch Werkstücke mit größerer Masse, die unregelmäßig geformt sind, wie etwa Kurbelgehäuse von Hubkolbenmotoren, mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit auf dem Drehteller in Rotation versetzt werden, ohne daß Probleme durch eine Massenunwucht auftreten. Dadurch, daß eine durch das Werkstück verursachte Unwucht immer automatisch durch das Ausgleichsgewicht ausgeglichen werden kann und somit der Drehteller in bezug auf seine Rotationsachse ausgewuchtet sein kann, wird auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten des Drehtellers eine hohe Sicherheit gewährleistet. Gleichfalls wird dadurch, daß nachteilige Einflüsse von Massenunwuchten ausgeglichen werden, Schwingungserscheinungen und ähnliche Nachteile vermieden, so daß eine hohe Laufruhe auch bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten gewährleistet werden kann. Dies hat zur Folge, daß eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der Beschichtung erzielt werden kann. So ist etwa bei Beschichtungen der Zylinder- Laufbuchsen von Leichtmetall-Kurbelgehäusen lediglich noch eine Nachbehandlung zum Glätten, z.B. durch Honen, notwendig, nicht jedoch eine maßliche Nachbearbeitung durch Zerspanen oder Schleifen in aufwendigen Au spannungen oder Vorrichtungen.The object of the invention is completely achieved in this way. According to the invention, an imbalance caused by the necessary centering of the cavity to be coated with respect to the burner is compensated for by a counterweight. In this way, even workpieces with a larger mass, which are irregularly shaped, such as the crankcase of reciprocating piston engines, can be rotated on the turntable at a sufficiently high speed without problems due to mass imbalance. The fact that an imbalance caused by the workpiece can always be automatically compensated for by the counterweight and thus the turntable can be balanced with respect to its axis of rotation ensures a high level of safety even at high rotational speeds of the turntable. Likewise, by compensating for the adverse effects of mass imbalances, vibrations and similar disadvantages are avoided, so that smooth running can be ensured even at higher rotational speeds. The consequence of this is that a particularly high uniformity of the coating can be achieved. For example, when coating the cylinder liners of light metal crankcases, only a post-treatment for smoothing, e.g. by honing, is necessary, but not a dimensional post-processing by machining or grinding in complex Au tensions or devices.
Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Drehteller im Bereich seiner Rotationsachse von einer Öffnung zum Durchtritt von Overspray durchsetzt ist.According to an alternative embodiment of the invention, the object is achieved in a device of the type mentioned at the outset in that the turntable is penetrated by an opening for the passage of overspray in the region of its axis of rotation.
Auch auf diese Weise wird ein besonders gleichmäßiger und sicherer Beschichtungsprozeß ohne qualitätsmindernde unerwünschte
Einschlüsse von Streupartikeln aus dem hochenergetischen Be- schichtungs- und Verbrennungsprozeß pulverbeladener Gasströme gewährleistet .In this way too, a particularly uniform and safe coating process without undesirable quality-reducing processes is achieved Inclusions of scattering particles from the high-energy coating and combustion process of powder-laden gas flows are guaranteed.
Auf diese Weise kann nämlich sichergestellt werden, daß der zu beschichtende Hohlraum des Werkstückes mit der Öffnung im Drehteller zentriert ist, so daß während des Beschichtungsprozesses auftretender Overspray durch den Hohlraum des Werkstückes und durch die damit ausgerichtete Öffnung des Drehtellers nach unten austritt und vorzugsweise über eine Absaugeinrichtung abgesaugt und rasch entfernt werden kann.In this way it can be ensured that the cavity of the workpiece to be coated is centered with the opening in the turntable, so that overspray occurring during the coating process emerges downward through the cavity of the workpiece and through the opening of the turntable aligned therewith, and preferably via a Suction device can be suctioned off and removed quickly.
Auf diese Weise können nacheinander auch in einem Serienprozeß zahlreiche Hohlräume beschichtet werden, ohne daß es zu nachteiligen Einflüssen durch den dabei auftretenden Overspray kommt oder zu dadurch verursachten unerwünschten Ablagerungen.In this way, numerous cavities can be coated one after the other even in a series process, without there being any adverse effects from the overspray that occurs or undesirable deposits caused thereby.
In entsprechender Weise wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art während des Spritzvorgangs entstehender 0- verspray durch eine zentrale Öffnung im Drehteller abgesaugt wird.In a corresponding manner, the object is achieved with regard to the method in that in the method according to the type mentioned at the outset, 0-spray which is formed during the spraying process is suctioned off through a central opening in the turntable.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Werkstückaufnahme auf zwei zueinander parallelen ersten Linearführungen gehalten, wobei zwei zweite Linearführungen mit je einem Ausgleichsgewicht vorgesehen sind, die parallel zu den beiden Außenseiten der ersten Linearführungen angeordnet sind.In a preferred development of the invention, the workpiece holder is held on two mutually parallel first linear guides, two second linear guides each having a counterweight being provided, which are arranged parallel to the two outer sides of the first linear guides.
Hierbei sind die beiden Ausgleichsgewichte vorzugsweise gleich groß und jeweils mit gleichem Abstand von den ersten Linearfüh-
rungen angeordnet und können vorzugsweise nahezu stufenlos bewegt und positioniert werden.Here, the two counterweights are preferably of the same size and each at the same distance from the first linear guide stanchions arranged and can preferably be moved and positioned almost continuously.
Auf diese Weise können auch schwere Werkstücke im Hinblick auf die Rotationsachse des Drehtellers sicher ausgewuchtet werden, wobei sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung ergibt.In this way, even heavy workpieces can be safely balanced with respect to the axis of rotation of the turntable, resulting in a simple construction of the device.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten und zweiten Antriebseinrichtungen Antriebsspindeln, vorzugsweise selbsthemmende Antriebsspindeln, vorzugsweise selbsthemmende Trapezspindeln auf.According to a further embodiment of the invention, the first and second drive devices have drive spindles, preferably self-locking drive spindles, preferably self-locking trapezoidal spindles.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die Verwendung von Antriebsspindeln, insbesondere selbsthemmenden Trapezspindeln, eine hohe Zuverlässigkeit bei der Zentrierung des jeweils zu beschichtenden Hohlraums in bezug auf die Rotationsachse des Drehtellers gewährleistet ist. Ferner ergibt sich eine hohe Sicherheit gegen eine selbständige Bewegung des Werkstückes oder der Ausgleichsgewichte auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten.This measure has the advantage that the use of drive spindles, in particular self-locking trapezoidal spindles, ensures a high degree of reliability in centering the cavity to be coated with respect to the axis of rotation of the turntable. Furthermore, there is a high level of security against the workpiece or the counterweights moving independently, even at high rotational speeds.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Antriebsspindeln von einem gemeinsamen Antrieb über ein Schneckengetriebe angetrieben.In a further embodiment of the invention, the two drive spindles are driven by a common drive via a worm gear.
Hierbei kann das Schneckengetriebe mit den beiden ersten Antriebsspindeln über mindestens ein Umlenkgetriebe gekoppelt sein.Here, the worm gear can be coupled to the first two drive spindles via at least one deflection gear.
Auf diese Weise können beide Antriebsspindeln in einfacher Weise von einem gemeinsamen Antrieb angetrieben sein.
In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung sind die ersten und zweiten Antriebsspindeln über Umlenkgetriebe zum gegensinnigen Antrieb gekoppelt.In this way, both drive spindles can be driven in a simple manner by a common drive. In an additional further development of the invention, the first and second drive spindles are coupled to drive in opposite directions via deflection gears.
Auf diese Weise kann der gegensinnige Antrieb der ersten und zweiten Antriebsspindeln mit besonders einfachen Mitteln gewährleistet werden.In this way, the opposite drive of the first and second drive spindles can be ensured with particularly simple means.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein batteriegespeister Gleichstromantrieb vorgesehen, der mit den Antriebseinrichtungen zum gemeinsamen Antrieb gekoppelt ist.According to a further embodiment of the invention, a battery-powered DC drive is provided, which is coupled to the drive devices for the common drive.
Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau. Alternativ könnte auch ein netzgespeister Antrieb zum gemeinsamen Antrieb der Antriebseinrichtungen vorgesehen sein, der über Schleifkontakte mit Spannung versorgt wird.This results in a particularly simple structure. Alternatively, a mains-powered drive for jointly driving the drive devices could also be provided, which is supplied with voltage via sliding contacts.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Endschalter an den Enden der Linearführungen vorgesehen.According to a further embodiment of the invention, limit switches are provided at the ends of the linear guides.
Dies trägt zur weiteren Erhöhung der Sicherheit bei, da im Falle einer Verschiebung des Werkstückes bzw. der Ausgleichsgewichte bis an die Endschalter die Vorrichtung automatisch stillgesetzt werden kann.This contributes to a further increase in safety, since the device can be automatically stopped in the event of a displacement of the workpiece or the counterweights up to the limit switches.
Die Öffnung des Drehtellers zum Durchtritt von Overspray ist vorzugsweise an eine Absaugeinrichtung anschließbar.The opening of the turntable for the passage of overspray can preferably be connected to a suction device.
Auf diese Weise ist eine wirkungsvolle Absaugung von Overspray gewährleistet, so daß hierdurch keine nachteiligen Einflüsse
auftreten können, durch die die Qualität des Beschichtungsvor- ganges beeinträchtigt wird.In this way, an effective suction of overspray is guaranteed, so that there are no adverse effects can occur, which affects the quality of the coating process.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner ein HVOF-Brenner (Brenner zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Sauerstoff/Brennstoff-Gemischen) , der an der Positioniereinrichtung außerhalb des Werkstückes gehalten ist.According to a further embodiment of the invention, the burner is an HVOF burner (burner for high-speed flame spraying with oxygen / fuel mixtures), which is held on the positioning device outside the workpiece.
Auf diese Weise können besonders dichte, gut haftende und hochwertige Beschichtungen erzielt werden. Da hierbei mit einem relativ großen Spritzabstand und hoher kinetischer Energie des Partikelstrahls bis in den Überschallgeschwindigkeitsbereich gearbeitet werden kann, ergibt sich ferner eine größere AufWeitung des Spritzstrahls und damit letztendlich eine bessere Gleichmäßigkeit, höhere Dichte und bessere Haftung der Beschichtung.In this way, particularly dense, well-adhering and high-quality coatings can be achieved. Since it is possible to work with a relatively large spraying distance and high kinetic energy of the particle jet up to the supersonic speed range, this also results in a greater widening of the spray jet and thus ultimately better uniformity, higher density and better adhesion of the coating.
Hierbei wird der Brenner vorzugsweise mittels der Positioniereinrichtung auf einer elliptischen Bahn relativ zur zur beschichtenden Innenoberfläche des Werkstückes bewegt, wobei der Auftreffwinkel (φ) vorzugsweise zwischen der Achse des Brenners und der Innenoberfläche zwischen etwa 90° und etwa 10°, vorzugsweise zwischen etwa 90° und 20°, variierbar ist.Here, the torch is preferably moved by means of the positioning device on an elliptical path relative to the coating inner surface of the workpiece, the angle of incidence (φ) preferably between the axis of the torch and the inner surface between about 90 ° and about 10 °, preferably between about 90 ° and 20 °, is variable.
Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Beschichtung über Umfang und Höhe des Bauteils erzielt werden.In this way, a particularly uniform coating over the circumference and height of the component can be achieved.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist neben dem Brenner mindestens eine Kühllanze zur Kühlung des Werkstückes mit Druckluft oder C02 vorgesehen.
Insbesondere bei Verwendung einer C02-Kühlung kann während des Beschichtungsprozesses eine sehr gute und homogene Kühlung gewährleistet werden. Hierdurch werden einerseits mögliche ϋber- hitzungsprobleme bei sehr temperaturempfindlichen Werkstücken oder dünnen Wandstärken des Grundwerkstoffs oder Werkstücks, wie etwa LM-Kurbelgehäusen, vermieden, andererseits werden nachteilige Einflüsse von thermisch bedingten Spannungen in der Beschichtung vermieden oder sogar eine optimierte Prozessführung hinsichtlich Wärme- und Stoffübergang beim Beschichten ermöglicht.According to a further embodiment of the invention, at least one cooling lance for cooling the workpiece with compressed air or C0 2 is provided in addition to the burner. Particularly when using a CO 2 cooling, very good and homogeneous cooling can be ensured during the coating process. On the one hand, this avoids possible overheating problems with very temperature-sensitive workpieces or thin wall thicknesses of the base material or workpiece, such as LM crankcases, on the other hand, it avoids the adverse effects of thermally induced stresses in the coating or even optimizes the process management with regard to heat and mass transfer during the process Coating enables.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Werkstückaufnahme eine Kippeinrichtung zur Verkippung des Werkstückes relativ zur Achse des Brenners und zur Darstellung einer Drehkippbewegung gemäß der Winkellage der Bohrungen in Reihen-, Boxer-, V- und W-Motoren oder eine vorzugsweise automatische Wendeeinrichtung zur Verschwenkung des Werkstückes um 180° auf. Diese Einrichtungen können steuerungstechnisch mittels NC- Verfahren und unter Nutzung speicherprogrammierbarer Steuereinrichtungen integriert sein, die Bestandteil der Gesamtbeschich- tungsanlage sind.According to a further embodiment of the invention, the workpiece holder has a tilting device for tilting the workpiece relative to the axis of the burner and for representing a tilting movement according to the angular position of the bores in in-line, boxer, V and W motors or a preferably automatic turning device for pivoting of the workpiece by 180 °. These devices can be integrated in terms of control technology by means of NC methods and using programmable control devices which are part of the overall coating system.
Auf diese Weise können auch Kurbelgehäuse für V-Motoren in einfacher Weise automatisch beschichtet werden. Andererseits können auch Werkstücke beschichtet werden, bei denen ein Teil der Hohlräume von der einen Seite her beschichtet werden soll und ein anderer Teil der Hohlräume von der gegenüberliegenden Seite her beschichtet werden soll.In this way, crankcases for V-engines can also be coated automatically in a simple manner. On the other hand, workpieces can also be coated in which a part of the cavities is to be coated from one side and another part of the cavities is to be coated from the opposite side.
Bei der Verwendung eines HVOF-Brenners wird der Auftreffwinkel (φ) vorzugsweise zwischen einem maximalen Winkel, der etwa in
einem Bereich von 90° liegt, im OT-Bereich des jeweiligen Hohlraums und einem mit zunehmender Tiefe des Hohlraums abnehmenden Winkel variiert.When using an HVOF burner, the angle of incidence (φ) is preferably between a maximum angle which is approximately in lies in a range of 90 °, varies in the TDC region of the respective cavity and an angle that decreases with increasing depth of the cavity.
Auf diese Weise kann bei der Beschichtung der Zylinderlaufbuchsen von Kurbelgehäusen am oberen Ende des jeweiligen Hohlraums mit einem maximalen Auftreffwinkel von annähernd 90° gearbeitet werden, wodurch in diesem besonders hoch beanspruchten Bereich der Beschichtungswerkstoff mit maximaler Energie auf der zu beschichtenden Innenoberfläche auftrifft und somit in diesem Bereich späterer höchster Beanspruchung eine optimale Qualität und Dichte der Beschichtung erzielt werden kann.In this way, when coating the cylinder liners of crankcases at the upper end of the respective cavity, a maximum impact angle of approximately 90 ° can be used, as a result of which the coating material hits the inner surface to be coated with maximum energy in this particularly highly stressed area and thus in this Area of later high stress an optimal quality and density of the coating can be achieved.
Hierbei wird vorzugsweise die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners etwa proportional zum Auftreffwinkel (φ) gesteuert.Here, the feed speed of the burner is preferably controlled approximately in proportion to the angle of incidence (φ).
Auf diese Weise wird die durch einen verkleinerten Auftreffwinkel verringerte Beschichtungsdicke durch die dann verringerte Umdrehungsgeschwindigkeit ausgeglichen, so daß sich insgesamt eine gleichmäßige Schichtdicke über die gesamte Tiefe des Hohlraums einstellt.In this way, the coating thickness reduced by a reduced impact angle is compensated for by the then reduced rotational speed, so that overall a uniform layer thickness is established over the entire depth of the cavity.
Der Brenner wird vorzugsweise während der Beschichtung kontinuierlich betrieben und zur aufeinanderfolgenden Beschichtung verschiedener Hohlräume des Werkstückes vom Werkstück lediglich wegfahren oder weggeschwenkt.The burner is preferably operated continuously during the coating and is only moved away or pivoted away from the workpiece for the successive coating of different cavities in the workpiece.
Auf diese Weise kann durch den kontinuierlichen Betrieb des Brenners eine besonders günstige und zeitsparende Prozeßführung erreicht werden.
Bei Verwendung eines HVOF-Brenners wird vorzugsweise zwischen der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstückes ein Spritzabstand von etwa 150 bis 500 mm, vorzugsweise von etwa 150 bis 400 mm eingehalten.In this way, through the continuous operation of the burner, particularly economical and time-saving process control can be achieved. When using an HVOF burner, a spraying distance of approximately 150 to 500 mm, preferably of approximately 150 to 400 mm, is preferably maintained between the surface of the workpiece to be coated.
Dabei wird der Drehteller vorzugsweise mit etwa 40 bis 100 U/min angetrieben.The turntable is preferably driven at about 40 to 100 rpm.
Mit derartigen Spritzparametern lassen sich besonders qualitativ hochwertige Beschichtungen erzielen.With such spray parameters, particularly high-quality coatings can be achieved.
Alternativ ist eine Beschichtung durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) oder Elektrolichtbogenspritzen vorzugsweise mit Innenbrennern, dabei vorzugsweise Hilfe eines 90°- Winkelbrenners möglich.Alternatively, coating by means of atmospheric plasma spraying (APS) or electric arc spraying, preferably with internal torches, is preferably possible using a 90 ° angle torch.
Hierbei wird zwischen der Innenoberfläche des zu beschichtenden Hohlraums und dem Brenner vorzugsweise ein Spritzabstand von etwa 25 bis 600 mm eingehalten.In this case, a spraying distance of approximately 25 to 600 mm is preferably maintained between the inner surface of the cavity to be coated and the burner.
Dabei wird der Drehteller vorzugsweise mit etwa 80 bis 200 U/min angetrieben.The turntable is preferably driven at about 80 to 200 rpm.
Auch durch atmosphärisches Plasmaspritzen lassen sich vorteilhafte Beschichtungen erzielen.Advantageous coatings can also be achieved by atmospheric plasma spraying.
Da auch in diesem Fall ein feststehender Brenner verwendet wird, insbesondere ein Brenner mit einem Winkelkopf, der in den zu beschichtenden Hohlraum hineingefahren wird, kann mit dieser Prozeßführung eine höhere Strahlgeschwindigkeit als bei her-
köm lichen Beschichtungsverfahren mit rotierendem Brenner und feststehendem Werkstück erzielt werden.Since a fixed burner is also used in this case, in particular a burner with an angular head, which is moved into the cavity to be coated, this process control can achieve a higher jet speed than with conventional conventional coating process with rotating torch and stationary workpiece.
Insbesondere bei der Verwendung von Ti02 als Spritzwerkstoff ergeben sich vorteilhafte Beschichtungen, die für LM- Kurbelmetallgehäuse geeignet sind, da es sich hierbei Ti02_x Schichten ergeben, die neben geringen Verschleißraten auch sehr niedrige Reibkoeffizienten unter Trockenreibungsbedingungen aufweisen.Particularly when using Ti0 2 as a spray material, there are advantageous coatings which are suitable for LM crank metal housings, since this results in Ti0 2 _ x layers which, in addition to low wear rates, also have very low coefficients of friction under dry friction conditions.
Bei der Verwendung eines HVOF-Brenners kann der Beschichtungsprozeß in vorteilhafter Weise als externer Beschichtungsprozeß gefahren werden, wobei sich der Brenner außerhalb des zu beschichtenden, in der Regel bei PkW-Motoren eng bemessenen, zylindrischen Hohlraums der jeweiligen Bohrungen befindet. Auf diese Weise kann ein relativ großer Spritzabstand verwendet werden, was zu einer gleichmäßigeren Beschichtung beiträgt. Außerdem ist die Beschichtung von Hohlräumen mit Innendurchmessern von < 50 mm auf diese Weise ermöglicht.When using an HVOF burner, the coating process can advantageously be carried out as an external coating process, the burner being located outside the cylindrical cavity of the respective bores to be coated, which is usually narrow in the case of car engines. In this way, a relatively large spraying distance can be used, which contributes to a more uniform coating. This also enables the coating of cavities with inner diameters of <50 mm.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:It goes without saying that the features of the invention mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the invention. Further features and advantages of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Variation des Spritzwinkels bei der Bewegung des Brenners auf einer elliptischen Bahn zur Beschichtung der Innenoberfläche einer Bohrung; undFigure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention. 2 shows a schematic illustration to explain the variation of the spray angle during the movement of the burner on an elliptical path for coating the inner surface of a bore; and
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Drehtellers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 leicht abgewandelt wurde, in vereinfachter Darstellung.Fig. 3 is a perspective view of the turntable of a device according to the invention, which was slightly modified compared to the embodiment of FIG. 1, in a simplified representation.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.In Fig. 1, a first embodiment of a device according to the invention is shown schematically and generally designated by the number 10.
Innerhalb einer Spritzkabine 12, die schalldämmend ausgeführt ist, ist ein Drehteller 14 auf einem Tisch mittels eines Wälzlagers an seinem Außenumfang um eine Rotationsachse 16 drehbar gelagert. Der Drehtisch ist von einem Antrieb 18 über einen Riemen 20 antreibbar. Auf dem Drehtisch 14 befindet sich eine insgesamt mit der Ziffer 32 bezeichnete Führungseinrichtung, mittels derer eine Werkstückaufnahme 40 in Radialrichtung des Drehtisches 14 hin- und herbewegt werden kann. Auf der Werkzeugaufnahme 40 ist eine nicht näher dargestellte Halterung zum Aufspannen eines Werkstückes 34 vorgesehen, das mittels einer strichpunktierten Linie in Fig. 1 angedeutet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein LM-Kurbelwellengehäuse handeln, das eine Mehrzahl von Zylinderlaufbuchsen aufweist, deren Innenoberfläche beschichtet werden soll.
In Fig. 1 sind insgesamt vier Hohlräume 36 eines LM- Kurbelwellengehäuses, deren Innenoberfläche spritzbeschichtet werden soll, mit strichpunktierter Linie dargestellt.Within a spray booth 12, which is designed to be sound-absorbing, a turntable 14 is rotatably mounted on a table by means of a roller bearing on its outer circumference about an axis of rotation 16. The turntable can be driven by a drive 18 via a belt 20. On the turntable 14 there is a guide device, designated overall by the number 32, by means of which a workpiece holder 40 can be moved back and forth in the radial direction of the turntable 14. Provided on the tool holder 40 is a holder (not shown in more detail) for clamping a workpiece 34, which is indicated by a dash-dotted line in FIG. 1. This can be an LM crankshaft housing, for example, which has a plurality of cylinder liners whose inner surface is to be coated. In Fig. 1, a total of four cavities 36 of an LM crankshaft housing, the inner surface of which is to be spray-coated, are shown with a dash-dotted line.
Der Drehtisch 14 ist in seinem Mittelpunkt von einer Öffnung 17 durchsetzt, die zur Absaugung von Overspray dient. Unterhalb des Drehtisches 14 ist eine Absaugeinrichtung 38 gestrichelt angedeutet, die mit einer Unterdruckquelle 39 verbunden ist.The center of the turntable 14 is penetrated by an opening 17, which serves to extract overspray. A suction device 38, which is connected to a vacuum source 39, is indicated by dashed lines below the turntable 14.
An einer Positioniereinrichtung 22, die als Mehrachsen-Roboter ausgebildet ist, ist ein HVOF-Brenner 24 aufgenommen. Der Brenner 24 kann mittels der Positioniereinrichtung 22 in bezug auf das Werkstück 34 positioniert werden. Parallel zur Achse 26 des Brenners 24, entlang derer der Brennerstrahl austritt, sind zwei Kühllanzen 28, 30 angeordnet, die zum radialen Austritt von Kühlgas geeignet sind. Obwohl eine Druckluft-Kühlung grundsätzlich ausreichend wäre, sind die Kühllanzen 28, 30 im vorliegenden Fall als C02-Kühllanzen ausgebildet, die eine deutlich bessere Kühlwirkung erreichen. Die hohe Kühlwirkung einer C02-Kühlung beruht auf der Sublimation des C02-Schnees vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand. Ein weiterer Vorteil liegt im Reinigungseffekt von unaufgeschmolzenen Overspray- Partikeln.An HVOF burner 24 is accommodated on a positioning device 22, which is designed as a multi-axis robot. The torch 24 can be positioned with respect to the workpiece 34 by means of the positioning device 22. Parallel to the axis 26 of the burner 24 along which the burner jet emerges are two cooling lances 28, 30 which are suitable for the radial exit of cooling gas. Although compressed air cooling would in principle be sufficient, the cooling lances 28, 30 in the present case are designed as CO 2 cooling lances, which achieve a significantly better cooling effect. The high cooling effect of a CO 2 cooling is based on the sublimation of the CO 2 snow from the solid to the gaseous state. Another advantage is the cleaning effect of unmelted overspray particles.
Die Führungseinrichtung 32 weist zwei zueinander parallele erste Linearführungen 42, 43 auf, auf denen die Werkstückaufnahme 40 verfahrbar ist. Ferner sind zwei zweite Linearführungen 44, 45 vorgesehen, die identisch wie die ersten Linearführungen 42, 43 aufgebaut sind und die beiden ersten Linearführungen 42, 43 von außen umschließen. Auf den zweiten Linearführungen 44, 45 sind jeweils ein Ausgleichgewicht 46, 47 verfahrbar. Zum An-
trieb der Führungseinrichtung 32 dient ein batteriegespeister Gleichstrommotor 52, der über ein Schneckengetriebe 54 zwei 90°-Umlenkgetriebe 56, 57 antreibt. Die Umlenkgetriebe 56, 57 treiben selbsthemmende Trapezspindeln 48, 49 an, von denen die Werkstückaufnahme 40 mittels nicht dargestellter Spindelmuttern angetrieben ist. Die Trapezspindeln 48, 49 sind an ihren, den Umlenkgetrieben 56, 57 gegenüberliegenden Enden jeweils über ein 180°-Umlenkgetriebe 58, 59 mit Trapezspindeln 50, 51 gekoppelt, von denen die Ausgleichsgewichte 46, 47 wiederum über nicht dargestellte Spindelmuttern synchron angetrieben sind.The guide device 32 has two mutually parallel first linear guides 42, 43, on which the workpiece holder 40 can be moved. Furthermore, two second linear guides 44, 45 are provided, which are constructed identically to the first linear guides 42, 43 and enclose the two first linear guides 42, 43 from the outside. A counterweight 46, 47 can each be moved on the second linear guides 44, 45. To start Drive the guide device 32 is a battery-powered DC motor 52, which drives two 90 ° reversing gear 56, 57 via a worm gear 54. The deflection gear 56, 57 drive self-locking trapezoidal spindles 48, 49, of which the workpiece holder 40 is driven by means of spindle nuts (not shown). The trapezoidal spindles 48, 49 are coupled at their ends opposite the deflection gears 56, 57 via a 180 ° deflection gear 58, 59 with trapezoidal spindles 50, 51, of which the counterweights 46, 47 are in turn driven synchronously via spindle nuts (not shown).
An den Enden jeder der Linearführungen 42, 43 bzw. 44, 45 ist jeweils ein Endschalter 60, 61, 62, 63 bzw. 64, 65, 66, 67 vorgesehen.A limit switch 60, 61, 62, 63 and 64, 65, 66, 67 is provided at the ends of each of the linear guides 42, 43 and 44, 45.
In Fig. 3 ist eine leicht abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Ziffer 10' bezeichnet.In Fig. 3, a slightly modified embodiment of the device according to the invention is designated by the number 10 '.
Die Vorrichtung 10" entspricht in ihrem Aufbau weitgehend der Vorrichtung gemäß Fig. 10. Zusätzlich ist auf der Werkstückaufnahme 40 jedoch eine Kippvorrichtung vorgesehen, die lediglich rein schematisch mit der Ziffer 74 angedeutet ist. Auf der Kippvorrichtung kann das Werkstück, z.B. ein LM-Kurbelwellen- gehäuse, aufgespannt werden und sodann in Richtung des Pfeiles 76 entweder zur einen Seite hin oder zur anderen Seite hin verkippt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn Kurbelwellengehäuse für V-Motoren oder W-Motoren beschichtet werden sollen.The structure of the device 10 "largely corresponds to the device according to FIG. 10. In addition, however, a tilting device is provided on the workpiece holder 40, which is indicated purely schematically by the number 74. The workpiece, for example an LM crankshaft, can be placed on the tilting device - Housing, be clamped and then tilted either to one side or to the other side in the direction of arrow 76. This is advantageous if crankshaft housings for V-engines or W-engines are to be coated.
In entsprechender Weise könnte eine Wendevorrichtung zum Wenden eines Werkstückes um 180° vorgesehen sein, sofern beispielsweise Kurbelwellengehäuse beschichtet werden sollen, die teilweise
von der einen Seite her und teilweise von der anderen Seite her zu beschichten sind (wie z.B. für den Sechszylindermotor des Porsche Boxter) .In a corresponding manner, a turning device for turning a workpiece through 180 ° could be provided, for example if crankshaft housings are to be coated, some of which to be coated from one side and partially from the other side (such as for the six-cylinder engine of the Porsche Boxter).
Das Beschichtungsverfahren wird im folgenden näher erläutert.The coating process is explained in more detail below.
Als Beschichtungsverfahren kommt entweder eine Beschichtung durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) oder Elektrolichtbogenspritzen oder durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) in Frage. Für APS-Innenbeschichtungen wurde ein Winkelbrenner mit 90° des Typs GTV Fl verwendet. Dieser Brenner besitzt eine maximale Leistung von 25 KW und einen maximalen Spritzabstand von 600 mm. Die maximal beschichtbare Tiefe des Hohlraums betrug 500 mm. Während des Innenbeschichtungsprozesses taucht der Winkelbrenner vertikal in den rotierenden Hohlraum ein. Aufgrund der konstruktiven Abmessungen des Fl-Winkelbrenners können technisch nur Zylinderbohrungen mit einem Innendurchmesser von mindestens 80 mm beschichtet werden. Der erzielbare Spritzabstand betrug somit mindestens 30 mm.The coating process can be either coating by atmospheric plasma spraying (APS) or electric arc spraying or by high-speed flame spraying (HVOF). A 90 ° angle torch of the GTV Fl type was used for APS interior coatings. This burner has a maximum output of 25 KW and a maximum spraying distance of 600 mm. The maximum coatable depth of the cavity was 500 mm. During the internal coating process, the angle burner plunges vertically into the rotating cavity. Due to the structural dimensions of the Fl-angle burner, only cylinder bores with an inner diameter of at least 80 mm can be coated. The achievable spray distance was at least 30 mm.
Der Schichtauftrag erfolgt unter Rotation des Werkstückes bei gleichzeitiger vertikaler Vorschubbewegung des Fl-Plasma- brenners . Die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlraums wurde abhängig vom Spritzabstand und vom zu applizierenden Schichtsystem zwischen 80 und 200 U/min variiert. Für eine vertikale Vorschubbewegung des Plasmainnenbrenners reicht ein zweiachsiges- Vorschubsystem aus. Im dargestellten Fall wurde jedoch die Positioniereinrichtung 22 in Form des mehrachsigen Roboters verwendet. Die vertikale Vorschubgeschwindigkeit des Brenners liegt je nach verwendetem Schichtsystem zwischen 2 und 10 mm/s. Die Anzahl der Brennerübergänge ist abhängig vom Spritzwerk-
stoff sowie der erforderlichen Schichtdicke und liegt und 2 und 10 Übergängen. Je kleiner der Spritzabstand zwischen Brenner und Substratoberfläche, desto geringer ist die Aufweitung des Partikelstrahls und der beschichtete Oberflächenbereich. Deshalb ist insbesondere für geringe Spritzabstände eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes notwendig, damit eine homogene Schichtstruktur mit einer akzeptablen Oberflächengüte aufgetragen werden kann. Gleichzeitig zum Beschichtungsprozeß wird die Innenoberfläche des Werkstückes gekühlt.The layer is applied while rotating the workpiece while simultaneously moving the Fl plasma torch vertically. The speed of rotation of the cavity was varied between 80 and 200 rpm depending on the spraying distance and the layer system to be applied. A two-axis feed system is sufficient for a vertical feed movement of the plasma internal torch. In the case shown, however, the positioning device 22 in the form of the multi-axis robot was used. The vertical feed rate of the burner is between 2 and 10 mm / s depending on the layer system used. The number of burner transitions depends on the injection material and the required layer thickness and lies and 2 and 10 transitions. The smaller the spraying distance between the burner and the substrate surface, the smaller the widening of the particle beam and the coated surface area. Therefore, a high rotational speed of the workpiece is necessary, especially for short spraying distances, so that a homogeneous layer structure with an acceptable surface quality can be applied. At the same time as the coating process, the inner surface of the workpiece is cooled.
Zur Kühlung können entweder Air-Jet-Druckluftkühlsysteme oder C02-Kühllanzen 28, 30, wie vorstehend beschrieben, verwendet werden.Either air jet compressed air cooling systems or CO 2 cooling lances 28, 30, as described above, can be used for cooling.
Bei der Ausführung des Brenners 24 als HVOF-Brenner wurde für die Innenbeschichtung das System TopGun® der Firma GTV-mbH verwendet. Aufgrund variabler Brennkammereinsätze bietet dieser Brennertyp zusätzlich die Möglichkeit, Acetylen als Brenngas einzusetzen, wodurch Brenngastemperaturen von bis zu 3.200°C erreicht werden können. Diese Temperaturen sind hoch genug, um auch refraktäre Werkstoffe wie MO und Zr02 aufzuschmelzen. Mit dem HVOF-Brenner 24 können je nach verwendetem Spritzwerkstoff, Brenngasgemisch und -massenstrom Spritzabstände zwischen etwa 150 mm und 500 mm eingestellt werden. Aufgrund dieser großen Spritzabstände kann der HVOF-Prozeß als externer Prozeß gefahren werden, d.h. der Brenner befindet sich für die Gesamtdauer des Beschichtungsvorgangs außerhalb des zu beschichtenden Hohlraums 36 des Werkstückes 34. Durch diese externe Anordnung können auch Bohrungen mit einem Innendurchmesser von weniger als 80 mm beschichtet werden.
Während des HVOF-Spritzens beschreibt der Brenner 24 eine elliptische Vorschubbewegung. Der Beschichtungsprozeß wird bei der Beschichtung von Kurbelwellengehäusen in der Form realisiert, daß der OT-Bereich der Zylinderbohrung, der den höchsten thermischen und mechanischen Betriebsbelastungen ausgesetzt ist, nahezu unter 90° beschichtet wird, während die geringer beanspruchten unteren Zylinderbereiche unter einem abnehmenden Strahlauftreffwinkel φ beschichtet werden.When the burner 24 was designed as an HVOF burner, the TopGun® system from GTV-mbH was used for the inner coating. Due to the variable combustion chamber inserts, this type of burner also offers the option of using acetylene as the fuel gas, which can achieve combustion gas temperatures of up to 3,200 ° C. These temperatures are high enough to melt refractory materials such as MO and Zr0 2 . With the HVOF burner 24, spraying distances between approximately 150 mm and 500 mm can be set, depending on the spray material used, fuel gas mixture and mass flow. Due to these large spraying distances, the HVOF process can be operated as an external process, ie the burner is outside the cavity 36 of the workpiece 34 to be coated for the entire duration of the coating process. This external arrangement also allows bores with an inner diameter of less than 80 mm be coated. During HVOF spraying, the burner 24 describes an elliptical feed movement. The coating process is implemented in the coating of crankshaft housings in such a way that the TDC area of the cylinder bore, which is exposed to the highest thermal and mechanical operating loads, is coated almost below 90 °, while the lower-stressed lower cylinder areas are coated with a decreasing beam angle of incidence φ become.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 angedeutet.These relationships are indicated in Fig. 2.
In Fig. 2 ist ein zu beschichtender Hohlraum 36 in Form einer Zylinderbohrung des Werkstückes 34 angedeutet.A cavity 36 to be coated is indicated in FIG. 2 in the form of a cylindrical bore in the workpiece 34.
Am oberen Ende der Bohrung bzw. des Hohlraums 36 beträgt der Auftreffwinkel φ zwischen der Längsachse 26 des Brenners 24 und der Innenoberfläche 36 annähernd 90°. Mit zunehmender Bohrungstiefe verringert sich der Spritzwinkel φ bis auf etwa 30° am Boden der Bohrung.At the upper end of the bore or cavity 36, the angle of incidence φ between the longitudinal axis 26 of the burner 24 and the inner surface 36 is approximately 90 °. As the depth of the hole increases, the spray angle φ decreases to about 30 ° at the bottom of the hole.
Durch Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners 24 an den Strahlauftreffwinkel φ kann eine homogene Schichtstruktur und Schichtdicke über die gesamte Höhe der zu beschichtenden Innenoberfläche 68 erzielt werden. Hierzu wird die Vorschubgeschwindigkeit während des Beschichtungsprozesses proportional zum Auftreffwinkel zwischen etwa 15 mm/s (Auftreffwinkel φ etwa 90°) und 5 mm/s (Auftreffwinkel φ etwa 30°) variiert.By adapting the feed speed of the burner 24 to the beam incident angle φ, a homogeneous layer structure and layer thickness can be achieved over the entire height of the inner surface 68 to be coated. For this purpose, the feed rate during the coating process is varied between approximately 15 mm / s (angle of incidence φ approximately 90 °) and 5 mm / s (angle of incidence φ approximately 30 °) in proportion to the angle of incidence.
Aufgrund der komplexen Bewegungskinematik wird für den HVOF- Beschichtungsprozeß ein vollautomatisiertes, siebenachsiges Robotersystem der Firma Stäubli (Positioniereinrichtung 22) ver-
wendet. Über die Robotersteuerung können die Rotationsgeschwindigkeit des Drehtisches 14 (vorzugsweise etwa 30 - 100 U/min) sowie variable Auftreffwinkel φ und Spritzabstände in Abhängigkeit von der Wahl des Spritzwerkstoffes und des verwendeten Brenngasgemisches flexibel programmiert werden.Due to the complex movement kinematics, a fully automated, seven-axis robot system from Stäubli (positioning device 22) is used for the HVOF coating process. applies. The rotation speed of the turntable 14 (preferably approximately 30-100 rpm) as well as variable impact angles φ and spraying distances can be flexibly programmed via the robot control depending on the choice of the spraying material and the fuel gas mixture used.
Die Bewegung der Führungseinrichtung 32, die Antriebsgeschwindigkeit des Drehtellers 14 und die Bewegung des Brenners 24 wird sämtlich über die Robotersteuerung aufeinander abgestimmt gesteuert. Bei der HVOF-Beschichtung wird zur Kühlung des Werkstückes insbesondere bei der Beschichtung von LM- Kurbelwellengehäusen vorzugsweise eine Kühlung mittels C02- Kühllanzen 24, 28 verwendet, um eine zu starke Aufheizung des Werkstückes 34 zu vermeiden.The movement of the guide device 32, the drive speed of the turntable 14 and the movement of the burner 24 are all controlled in a coordinated manner via the robot controller. In the HVOF coating, cooling by means of CO 2 cooling lances 24, 28 is preferably used to cool the workpiece, in particular when coating LM crankshaft housings, in order to avoid excessive heating of the workpiece 34.
Für jede Beschichtung eines Hohlraums 36 des Werkstückes 34 wird das Werkstück 34 mit seinem jeweils zu beschichtenden Hohlraum 36 in Bezug auf die Drehachse 16 des Drehtellers 14 zentriert, was über eine entsprechende Betätigung des Antriebs 56 und damit der Trapezspindeln 42, 43 erfolgt.For each coating of a cavity 36 of the workpiece 34, the workpiece 34 with its cavity 36 to be coated is centered with respect to the axis of rotation 16 of the turntable 14, which takes place via a corresponding actuation of the drive 56 and thus the trapezoidal spindles 42, 43.
Beim Verfahren in eine andere Position, in der ein weiterer Hohlraum 36 des Werkstückes 34 beschichtet werden soll, verfahren die Ausgleichsgewichte 46, 47 in entgegengesetzter Richtung um den gleichen Betrag wie das Werkstück 34. Somit kann dann, wenn das Werkstück bei der Aufspannung austariert wird, unabhängig von der radialen Lage des Werkstückes 34 immer ein ausgewuchteter Zustand erreicht werden. Insgesamt können die Ausgleichsgewichte 46, 47 und das Werkstück 34 so angeordnet werden, daß sich während des Antriebs des Drehtellers 14 ein ausgewuchteter Zustand in Bezug auf die Rotationsachse 16 ergibt,
der auch bei Verschiebung des Werkstückes 34 durch die gegenseitige Bewegung der Ausgleichsgewichte 46, 47 aufrecht erhalten wird.When moving to another position, in which a further cavity 36 of the workpiece 34 is to be coated, the counterweights 46, 47 move in the opposite direction by the same amount as the workpiece 34. Thus, when the workpiece is balanced during the clamping , regardless of the radial position of the workpiece 34, a balanced state can always be achieved. Overall, the counterweights 46, 47 and the workpiece 34 can be arranged such that a balanced state with respect to the axis of rotation 16 results during the drive of the turntable 14, which is maintained even when the workpiece 34 is displaced by the mutual movement of the counterweights 46, 47.
Wie vorstehend bereits erwähnt, befindet sich im mittleren Bereich des Drehtellers 14 zentriert mit der Drehachse 16 eine Öffnung 17, durch die Overspray nach unten in den Freiraum unterhalb des Drehtellers 14 austreten kann. Während des Be- schichtungsprozesses ist der jeweilige zu beschichtende Hohlraum 36, der nach unten hin offen ist, mit dieser Öffnung 17 ausgerichtet, so daß ein freier Austritt des Oversprays nach unten gewährleistet ist, so daß von störendem Overspray keine nachteiligen Einflüsse auf den Beschichtungsprozeß ausgehen. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann zusätzlich unterhalb der Öffnung 18 eine Absaugeinrichtung 38 vorgesehen sein. Es versteht sich, daß für diesen Fall die Werkstückaufnahme 40 zumindest eine mit der Öffnung 17 ausgerichtete Öffnung haben muß (vgl. Öffnung 78 gemäß Fig. 2), sofern die Werkstückaufnahme nicht ohnehin eine größere Öffnung in der Mitte aufweist.As already mentioned above, in the middle area of the turntable 14 there is an opening 17 centered with the axis of rotation 16, through which overspray can exit downwards into the space below the turntable 14. During the coating process, the respective cavity 36 to be coated, which is open towards the bottom, is aligned with this opening 17, so that the overspray can escape freely downward, so that disruptive overspray does not have any adverse effects on the coating process , As already mentioned above, a suction device 38 can additionally be provided below the opening 18. It is understood that in this case the workpiece holder 40 must have at least one opening aligned with the opening 17 (see opening 78 according to FIG. 2), provided that the workpiece holder does not have a larger opening in the middle anyway.
Vor dem Beschichtungsprozeß wird die zu beschichtende Innenoberfläche 36 durch Aufrauhstrahlen vorbehandelt, wozu grundsätzlich Korund, Stahlguß oder ein Verfahren mit Hochdruckwasserstrahlen verwendet werden kann.Before the coating process, the inner surface 36 to be coated is pretreated by roughening, for which corundum, cast steel or a process with high pressure water jets can be used in principle.
An LM-Wellengehäusen wurden Beschichtungen mit einer Reihe von verschiedenen Schichtsystemen getestet. Die sich ergebenden Härtewerte (HV 0,05M) bzw. Porositätskennwerte (PM) und die E- lastizitätsmoduli (EM) sind in den Tabellen la), lb), lc) für keramische Schichtsysteme, cermetische Schichtsysteme und metallische Schichtsysteme zusammengefaßt. Als Substratwerkstoffe
für LM-Kurbelwellengehäuse kommen beliebige gängige Werkstoffe in Betracht, wie z.B. AlMg3, Magnesium (AM50), Titan (Ti4), AlSi9Cu, AlSil7Cu4Mg3 (Alusil®), AlSi25 (Silitec®). Daneben können auch Kurbelgehäuse aus Grauguß und ebensolche Laufbuchsen in Abmessungen bis zu Großdieselmotoren innenbeschichtet werden.Coatings with a number of different layer systems were tested on LM shaft housings. The resulting hardness values (HV 0.05 M ) or porosity parameters (P M ) and the modulus of elasticity (E M ) are summarized in tables la), lb), lc) for ceramic layer systems, cermetic layer systems and metallic layer systems. As substrate materials Any common materials can be considered for LM crankshaft housings, such as AlMg3, Magnesium (AM50), Titan (Ti4), AlSi9Cu, AlSil7Cu4Mg3 (Alusil®), AlSi25 (Silitec®). In addition, gray cast iron crankcases and liners up to large diesel engines can be coated on the inside.
Beschichtungsversuche mit APS und HVOF wurden an den Substratwerkstoffen AlMg3, AM50, Ti4, AlSiCu9 durchgeführt.Coating tests with APS and HVOF were carried out on the substrate materials AlMg3, AM50, Ti4, AlSiCu9.
Es ist zu ersehen, daß durch Verwendung des HVOF- Beschichtungsprozesses besonders dichte Schichten erzielbar sind, die außerdem eine besonders gute Haftung aufweisen. Die Reib- und Verschleißkoeffizienten der gespritzten Schichten wurden sowohl unter geschmierten Reibungsbedingungen als auch unter trockenen Reibungsbedingungen untersucht. Die ermittelten Schichtverschleißkoeffizienten waren alle so gering, daß alle untersuchten Spritzwerkstoffe bis auf A1SÜ2 als Laufbahnwerkstoff verwendet werden können.It can be seen that particularly dense layers can be achieved by using the HVOF coating process, which also have particularly good adhesion. The friction and wear coefficients of the sprayed layers were examined both under lubricated friction conditions and under dry friction conditions. The determined layer wear coefficients were all so low that all spraying materials examined apart from A1SÜ2 can be used as raceway materials.
Untersuchungen zur Nachbearbeitung von FeCrl7, Cr3C2/NiCr-80/20 und Ti02 beschichteten Einzellaufbuchsen haben gezeigt, daß diese Schichtsysteme mit konventionellen, kunstharzgebundenen Diamant-Honleisten ohne zeitlichen Mehraufwand endbearbeitet werden können. Eine maßliche Nachbearbeitung war aufgrund der hohen Gleichmäßigkeit der gespritzten Schichten von 0,1-0,2 mm Stärke nicht erforderlich. Speziell die HVOF-gespritzten Schichtsysteme haben aufgrund der sehr geringen Schichtporosität im glatt gehonten Endzustand sehr niedrige Rauhigkeitswerte von RA zwischen etwa 0,03 und 0,09 μm.
Unter Trockenreibungsbedingungen sind insbesondere die Ti02.x- Schichtsysteme interessant, die sich durch das atmosphärische Plasmaspritzen von Titandioxid ergeben. Hierzu konnten nämlich sehr niedrige Reibkoeffizienten unter Trockenreibungsbedingungen gemessen werden. Unter geschmierten Bedingungen sind alle untersuchten Schichtsysteme außer A1SÜ2 geeignet.Studies on the reworking of FeCrl7, Cr 3 C 2 / NiCr-80/20 and Ti0 2 coated individual liners have shown that these coating systems can be finished with conventional, resin-bonded diamond honing stones without additional time. Post-processing was not necessary due to the high uniformity of the sprayed layers of 0.1-0.2 mm thickness. The HVOF-sprayed coating systems in particular have very low roughness values of R A between about 0.03 and 0.09 μm due to the very low layer porosity in the smoothly honed final state. Under dry friction conditions, the Ti0 2.x layer systems are particularly interesting, which result from the atmospheric plasma spraying of titanium dioxide. For this very low friction coefficients could be measured under dry friction conditions. All examined coating systems except A1SÜ2 are suitable under lubricated conditions.
Neben der Auftragung dünner Schichten in der Größenordnung von etwa 0,1-0,2 mm wie im vorliegenden Fall an LM-Kurbelwellen- gehäusen eignen sich die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren (insbesondere HVOF) auch zur Auftragung von dicken Schichten in der Größenordnung von etwa 1 bis 2 mm und auch zu einer lokalen Spritzbeschichtung an bevorzugten Stellen, z.B. besonders beanspruchten Stellen des Bauteils im Einsatz.
In addition to the application of thin layers in the order of magnitude of approximately 0.1-0.2 mm, as in the present case, to LM crankshaft housings, the described device and the described method (in particular HVOF) are also suitable for the application of thick layers in the order of magnitude of about 1 to 2 mm and also for a local spray coating at preferred locations, for example particularly stressed locations of the component in use.
Tab. laTab. La
Tab. lbTab. Lb
Tab. lcTab. Lc