Vollumfängliche Schnittkraftmessung zur Auslegung und Steuerung von Honprozessen mit einem sensorischen Werkzeug für die Bearbeitung von Zylinderlaufflächen zur Reibungs- und Verschleißreduktion im Motorbetrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im durchgeführten Transferprojekt stand die Entwicklung einer robusten Prozessmesstechnik zur Erfassung der Schnittkräfte beim Langhubhonen im industriellen Umfeld im Mittelpunkt. Eine in situ Erfassung von Reaktionskräften an der Schneidleiste ermöglicht wiederum die Optimierung von Prozessregelstrategien und unterstützt die modellhafte Abbildung des Honprozesses. Die Kenntnis der lokal an der Zylinderwand wirkenden Kräfte kann im ersten Schritt Korrelationen zum lokalen Abtrag und der resultierenden Makroform liefern. Im Hinblick auf die Implementierung geeigneter Sensoren und Messsystem stellen sowohl die Baugröße, Steifigkeit und die Kapselung der Sensorik als auch die Datenübertragung und Telemetrie die vordringliche Herausforderung an die konstruktive Umsetzung und Realisierung dar. Vor diesem Hintergrund kamen Dünnschichtsensoren mit einer geometrischen Stabilität kleiner 1 µm bei einer Druckbelastung von mehr als 10 MPa zum Einsatz. Das verwendete Messprinzip basiert auf der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit einer ta-C-Schicht (tetraedisch, amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht) durch eine auf diese Schicht einwirkende mechanische Belastung. Diese dünne Schicht wird mit den Legierungselementen Chrom und Argon im Arc-PVD Prozess dotiert, um diese Elemente in die Gitterstruktur der ta-C-Schicht einzubauen. Damit soll erreicht werden, dass die elektrische Leitfähigkeit der Schicht durch den Beschichtungsprozess definiert eingestellt bzw. gezielt variiert werden kann. Die Dotierung ist eine wesentliche Voraussetzung, um über eine entsprechende mechanische Belastung auf die Schicht, d.h. auf die Gitterstruktur, eine Widerstandsänderung erreichen zu können. Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik bekannten Sensorschichten wird hierbei die Kompressibilität der Gitterstruktur als physikalischer Effekt ausgenutzt. Als Substrat (1. Elektrode) war als Werkstoff Stahl vorgesehen, auf dem die Sensorschicht abgeschieden wird. Auf die Sensorschicht wird als 2. Elektrode (Kraftangriffspunkt) eine Chrom-Schicht mit einer Dicke von 300 nm bis 500 nm abgeschieden. Die Kraftsensoren wurden bis 2.000 N im Prüfstand belastet und die Kraftsignale abgeglichen. Die Streuung bei Wiederholungsmessung im linearen Bereich lag bei weniger als 5 N, was für diesen Messbereich und für diese Anwendung als ausreichend angesehen wurde. Das vollständige Messsystem wurde auf einer Honmaschine installiert und mit der PLC verknüpft. Die Auswertung und Überführung der Kenngrößen in ein Ontologiemodell zur Ableitung von Prozessregelstrategien erfolgte mit einem Maschinenhersteller.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss der Vorkonditionierung auf die Randzonenausprägung das tribologische Verhalten von Zylinderlaufflächen. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren: Verfahren und Maschinen - Essen: Vulkan, S. 200-315 (2020)
Karpuschewski, B.; Welzel, F.; Risse, K. & Schorgel, M.
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Einfluss des Honens und spanloser Konditionierprozesse auf das tribologische Verhalten der Kolbenring-Zylinder-Paarung. Volume: 49, Series: Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung Magdeburg, 978-3-8440-8378-1, 2022, Dissertation
Konstantin Risse
