MikroLas 2. Innovationsforum 4. – 5. März 2014 Gerhard Flores, Gehring Technologies GmbH & Co. KG Any right of disposal, such as copy or distribution rights, remains with us. The passing-on of the content as well as the use for the manufacture of corresponding articles is only permitted with our express approval in writing. As the document contains patentable elements, we reserve all rights for the granting of any kind of patent. 1 Tribologisch gestaltete Oberflächen durch Laserstrukturieren Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Flores, Leiter Technologie und Patente Gehring weltweit - Firmeninformation Technologische Einführung Reibungsminimierung durch Laserhonen Reibungsmaximierung durch Laserstrukturieren Laserstrukturieren von Pleuelaugen Laserstrukturieren von Nocken Laserstrukturieren von Stirnpressverbindungen Zusammenfassung und Ausblick
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Gerhard Flores, Gehring Technologies GmbH & Co. KG Any right of disposal, such as copy or distribution rights, remains with us. The passing-on of the content as well as the use for the manufacture of corresponding articles is
only permitted with our express approval in writing. As the document contains patentable elements, we reserve all rights for the granting of any kind of patent.
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Tribologisch gestaltete Oberflächen durch Laserstrukturieren Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Flores,
Leiter Technologie und Patente
Gehring weltweit - Firmeninformation
Technologische Einführung
Reibungsminimierung durch Laserhonen
Reibungsmaximierung durch Laserstrukturieren
Laserstrukturieren von Pleuelaugen
Laserstrukturieren von Nocken
Laserstrukturieren von Stirnpressverbindungen
Zusammenfassung und Ausblick
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Gerhard Flores, Gehring Technologies GmbH & Co. KG Any right of disposal, such as copy or distribution rights, remains with us. The passing-on of the content as well as the use for the manufacture of corresponding articles is
only permitted with our express approval in writing. As the document contains patentable elements, we reserve all rights for the granting of any kind of patent.
weltweit 700 Mitarbeiter
ca. 7000 gelieferte Honmaschinen seit 1926
Gehring weltweit
Standort Ostfildern Werk 1
Christoph Wilhelm Gehring
Anfänge in Naumburg / Saale
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only permitted with our express approval in writing. As the document contains patentable elements, we reserve all rights for the granting of any kind of patent. 3
1
2 3
Rei
bu
ng
szah
l f
Reduzierung von
Reibung
Stribeck-Kurve
Technologische Einführung
Funktionen von
gelaserten bzw. gehonten
Oberflächen:
• Haften
• Gleiten
• Dichten
• Führen
1 Haftreibung h > 0
2 Mischreibung h = R
3 Flüssigkeitsreibung h >> R
h: Schmierspalt
R: Rauheit
Sommerfeldzahl s = Viskosität η x Geschwindigkeit v
Normalkraft FN
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1935 Gehring-Honmaschine Typ 1Z
hydraul. Hub, polumschaltbarer
Spindelmotor, Pressöler, Filzfilter
Hubbewegung
Dreh-
bewegung
Zustellbewegung
Honwinkel
gebundenes Korn
(Diamant / cBN)
Bindung
Technologische Einführung
Honen ist ein spanabhebendes Verfahren zur Korrektur
von Maß, Form, Oberfläche und ggf. Lage von Bohrungen
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Reibungszahl f
Gleitgeschwindigkeit v
Rei
bu
ng
szah
l f
Ziel:
min. Reibung bei
min. Geschwindigkeit
Stribeck-Kurve
Zylinderbohrung
hydrodynamischer Druck
Fr
p
Schmierspalt Kolbenring v
Strukturtasche
Reibungsminimierung durch Laserhonen
Laser-Honen ist eine Prozesskombination von
Laserstrukturieren und Honen und dient der
Reibungs- und Verschleißminimierung
von Bohrungen
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Steigung 2 mm
Länge 3 mm Abstand 2 mm
Tiefe 10 – 30 mm Breite 30 -80 µm
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Vorhonen
Rz = 8–12 µm
Zwischenhonen
Rz = 2–5 µm
Laserstrukturieren Entgraten und Fertighonen
Rz = 1–2 µm
40–80 µm
5–20 µm Prozesskette:
Reibungsminimierung durch Laserhonen
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Reibungskraft System Kolben - Zylinder
Laser-Honen seit 2002 in Serie, täglich ca. 16.000 ZKG
Oberfläche nach dem
Bearbeiten
Oberfläche nach
150000 km
Reibungsminimierung durch Laserhonen
Source: ITV, Universität Hannover
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Laserstrukturieren von
Pleuelaugen
Laserstrukturieren von
Nocken
Laserstrukturieren von
Strinpressverbindungen
Reibungsmaximierung durch Laserstrukturieren
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2 3
Rei
bu
ng
szah
l f
1 Erhöhung der Reibung
Stribeck-Kurve
Laserstrukturieren von Pleuelaugen
1 Haftreibung h > 0
2 Mischreibung h = R
3 Flüssigkeitsreibung h >> R
h: Schmierspalt
R: Rauheit
Sommerfeldzahl s = Viskosität η x Geschwindigkeit v
Normalkraft FN
Hubzapfen
Schmierspalt
großes Pleuelauge Lagerschale
Verdrehfestigkeit
Verdrehbewegung
(Gleitlager)
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Prozesskette zur Herstellung von Pleuelbohrungen
Bruchtrennen Montieren Feinbohren
Laserstrukturieren von Pleuelaugen
Laserstrukturieren
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Werkbild Mapal Werkbild Mauser
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Strukturverlauf
Strukturlinien
Strukturfelder
4 x 90°
Strukturrichtung
orthogonal zur
Richtung der Umfangskräfte
(Drehmoment)
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Laserstrukturieren von Pleuelaugen
Feinbohrriefen
Profiltiefe
nach
dem
Feinbohren
Oberfläche am großen Pleuelauge nach dem Feinbohren und Laserstrukturieren
Schmelzgrate vom Laserstrukturieren
Höhe der
Schmelz-
grate
ca. 2-3 µm
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Feinbohrprofil
(Vorbearbeitung)
Laserstrahl
Scanner zur
Strahlauslenkung
Pleuel
großes
Auge
Prozess auf einer Anlage
zum Laser Strukturieren
Maschine mit Rundschalttisch
2 Laserstrahlquellen zum Strukturieren
Station 1: Strukturfelder 0° und 180°
Staiton 2: Strukturfelder 90° uund 270°
0°
180°
90°
270°
Strahlquelle mit integriertem Scanner
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Laserstrukturieren von Pleuelaugen
Laserscanner mit zwei
Galvospiegeln
Werkbild Fa. Trumpf
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Peakhöhe h der Laserstruktur ist
signifikant niedriger als die Rauheit R
vom Feinbohren
Mit dem Fügen pressen sich die
erhabenen Peaks in die Außenseite der
Lagerschale
Das Ergebnis ist ein Mikroformschluss
zur Erhöhung der Verdrehsicherheit
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Laserstrukturieren von Pleuelaugen
surface connecting rod Laserstrukturierte Oberfläche im großen Auge
Lagerschale
Lagerschale
Laserstrukturierte Oberfläche im großen Auge
Kontaktflächen vor dem Fügen
Verdrehfestigkeit durch mikroverformte
Kontaktflächen nach dem Fügen
h R
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Prozessparameter
und Bearbeitungsergebnisse
Verdrehmoment:
Höhe der Laser-Peaks
Strukturbreite:
Strukturabstand:
Bearbeitungszeit:
Taktzeit:
Nd:YAG-Laser
Impulsleistung:
Pulsoverlapp:
Ver
dre
hw
inke
l [°]
Verdrehtest
Laser
strukturierte
Pleuelaugen
Drehmoment [Nm]
40 N
2 – 3 µm
65 µm
55 µm
9 s
11 s
10 kW
60 %
Faxfilm-Aufnahme
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Laserstrukturieren von Pleuelaugen
zul.
Verdrehung
Welle dreht
durch
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Nockenbearbeitung
Nocke
Haftreibung durch
erhabene Schmelzgrate
Wellenrohr
Strukturlinien
4 x 90°
Strukturfelder
Schleifprofil Strukturlinien
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Laser-Strukturierungsmaschine
Station zum autom. Be- und Entladen
Vorrichtung mit
eingelegtem Werkstück
Station zum manuellen Be- und Entladen
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Nockenbearbeitung
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Laser Station
90° - 270°
Laser Station
0° – 180°
Laser Station
Data Matrix Code
Kamera
Data Matrix Code
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Nockenbearbeitung
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Laserstrukturierungsbearbeitung Vorrichtung und Kamera zur Strukturprüfung
Kamerabild der vier Laserstrukturfelder Kamera zur Überprüfung des DMC
Höhe der Laser-Peaks
Strukturlinienbreite:
Strukturlinienabstand:
Bearbeitungszeit:
Taktzeit:
Nd:YAG-Laser
Impulsleistung:
Pulsoverlapp:
1 – 3 µm
50 µm
120 µm
2 s
4 s
10 kW
80 %
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Nockenbearbeitung
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Strinpress- und Welle-Nabe-Verbindungen
Welle-Nabe-Verbindungen
Stirnpressverbindung
Kupplung mit
Mikroformschluss
Al-Stirnfläche mit
Mikroformschlussprofil
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• Laserstrukturieren
• substituiert beim Pleuel den mehrstufigen Honprozess
• ermöglicht bei der Nocke eine kostengünstigere Bauart der Nockenwelle
• substituiert bei Stirnpressverbindungen Diamantfolien
• Substituiert bei Welle-Nabe-Verbindungen die Passfeder
• Kein Werkzeugverschleiss –keine Werkzeugkosten
• Einfacher Maschinenaufbau
• Keinen Eintrag von Spannungen
• Kein Verspannen der Teile
• Prozesskinematik aus Scanner, maschinenseits keine Bewegungen
• kurze Bearbeitungszeit
• von Pleuelaugen mit 10 s (Honen 14 s)
• von Nocken mit 4 s
Zusammenfassung
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