Tribologische Optimierung von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren aus fertigungstechnischer Sicht

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2014von Florian Welze

Form honing of thermal sprayed cylinder bores

Kraftstoffverbrauch, Schadstoff- und CO2-Emissionen von Verbrennungsmotoren können mittels Formhonen von Zylinderlaufbahnen reduziert werden, indem durch das Honen beliebiger Freiformen betriebspunktspezifische Zylinderverzüge fertigungstechnisch vorgehalten werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Formhonen von modernen, thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnen erforscht. Hierzu werden für die einzelnen Prozessschritte die Auswirkungen von Prozessgestaltung, Honleistenanpressdruck und Schneidmittel-spezifikation auf das Bearbeitungsergebnis untersucht. Die Erfassung des ortsaufgelösten Honleistenanpressdrucks erfolgt dabei durch ein eigens entwickeltes Inprozess-Kraftmesssystem, welches zusätzlich Rückschlüsse auf das Werkzeugübertragungsverhalten zulässt. Die Untersuchungen zeigen, dass zu Bearbeitungsbeginn die thermische Spritzschicht durch teils sehr hohe Honleistennormalkräfte derart geschädigt werden kann, dass die gewünschte Solloberfläche nicht mehr herstellbar ist. Durch die entwickelte Formhonstrategie mit zeitlich skalierten Ansteuerwerten für die Piezoaktoren können für die zeitlich und örtlich unterschiedlichen Zeitspanvolumen verbesserte und einheitlichere Oberflächentopografien erzielt werden. Dabei ermöglicht die Inprozess-Messmethodik zur Ermittlung der Honleistennormalkräfte eine optimale Auslegung der Skalierungsschrittweite. Neben dem absoluten Kraftniveau während des Honens kann damit auch erstmalig der zeitliche Verlauf der Honleistennormalkräfte beobachtet werden. Zur weiteren Oberflächenverbesserung erfolgt im Anschluss an die Formhonbearbeitung ein Glätthonprozess mit federnd gelagerten Honleisten. Zusätzlich können durch eine geeignete Schneidmittelauswahl die Anforderungen an die finale Solloberfläche erfüllt sowie wirtschaftliche Werkzeugstandmengen erzielt werden. Darüber hinaus werden beim Formhonen von lastpunktspezifischen Antiverzugskonturen neben der geforderten Oberflächengüte die an die Sollform gestellten Anforderungen hinsichtlich Dynamik, Formausprägung, Zerspanvolumen sowie Fomgenauigkeit erreicht.Form honing of cylinder bores can reduce fuel consumption, pollutants and CO2 emissions of combustion engines by honing random shapes that provide cylinder distortions of specific engine operating points. The form honing of modern, thermal sprayed cylinder bores is developed in this paper. For this, effects of process design, contact pressure of the honing stones and specifications of abrasives onto the machining results will be investigated for each process step. The recording of space-resolved contact pressure of the honing stones is carried out by a self-developed in-process force measurement system that additionally draws conclusions onto the honing tool performance. This study found that partially high contact pressures at the beginning of the honing process may damage the thermal sprayed layers to such an extent that the desired running surface cannot be produced afterwards. The developed form honing process uses temporally scaled control voltage for the piezo actuators. With the help of this strategy it is possible to achieve an improved and more consistent running surface for the temporally and locally different stock removal rates. At the same time the in-process measurement system, developed to determine the normal forces of the honing stones, facilitates an optimised design of the scaling factors. In addition to the absolute force level during the form honing process, the chronological sequence of the contact pressures of the honing stones can be monitored for the first time ever. After form honing a smoothing process that uses spring-loaded honing stones is performed to further improve the running surface. Moreover, suitable abrasives can obtain requirements for the final running surface and generate profitable tool life quantities. On top of that, form honing of operating-point-specific anti-distortion-shapes achieves the requested running surface as well as the required cylinder shape concerning dynamics, shape characteristics, stock removal rates and shape accuracy

Predictive 3D roll grinding method for reducing paper quality variations in coating machines

The predominant trend in paper machines is towards an increased running speed. At the same time, the paper produced must have a higher and more even quality. In printing papers the main end-use properties and quality components are runnability, printability, and print quality. These coexistent requirements create new demands for the behaviour of rolls under production conditions. High quality printing paper grades are coated. In blade coating the thickness of the coating film on the paper surface is found to be heavily dependent on the run-out of the backing roll which supports the paper web against the metering blade. The run-out tolerance of backing rolls at running speed has lately been 50 µm and should be substantially reduced in the future. The new tolerances can no longer be met by tightening the traditional roll manufacturing tolerances. A new predictive 3D grinding method has been developed to improve roll behaviour in the paper production environment. It consists of a measuring system, which can verify the rotational and geometry errors of the roll at running speed, and a 3D grinding system, which controls the grinding process according to the information gained by these measurements. In this study, the new method was applied to the backing rolls of a coating station. The experiments were carried out in a paper mill, on a medium-weight coated (MWC) paper production line. The paper was analysed before and after the predictive 3D grinding. The predictive 3D grinding reduced the machine direction (MD) ash variation caused by the backing rolls by an average of 76 %. Ash variation correlates well with coating variation. As a result of a more even coating film, MD gloss variation was reduced by 82 %. Reduced gloss variation improves the print quality of LWC paper. The variation in thickness caused by the backing rolls was reduced by 74 %. More even paper thickness reduces excitations and therefore improves runnability in calendering, winding, and printing. A new paradigm for roll grinding was set. The applications of the technology are not limited to high-speed paper machine rolls; the method can also be applied to different kinds of nips of rolls. The method can compensate for a systematic error causing nip force variation, such as uneven thermal expansion or the uneven flexural stiffness of a roll. The technology can be applied in different industries, such as the steel, plastics, or aluminium industries. With this method, it is also possible to use rolls in applications which have requirements too high to be met by traditional technology.reviewe

Tagungsband Mechatronik 2011: Dresden 31. März – 1. April 2011

Mit dieser sechsten Auflage der Tagung MECHATRONIK 2011 verbindet sich neben dem 10-jährigen Tagungsjubiläum (die erste Tagung fand im Jahre 2001 statt) auch gleichzeitig eine Premiere. Nachdem die ersten fünf Tagungen erfolgreich unter den Fittichen des VDI bzw. des VDI-Wissensforums stattgefunden hatten, beginnt das zweite MECHATRONIK-Dezennium in einem geänderten Format und mit neuen Verantwortlichkeiten und wird dennoch die bewährten Traditionen der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde weiter pflegen. Academia trifft Industrie — Mechatronik und mechatronische Produkte sind seit jeher geprägt durch die Verknüpfung von interdisziplinärem methodenorientierten Wissen und nutzerorientierter Produktgestaltung. Diese Verknüpfung bildet sich höchst erfolgreich speziell in der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde ab, nicht zuletzt deshalb haben deutsche Mechatronikprodukte weltweit eine exzellente Marktpräsenz. Diese enge Verzahnung ist aber ebenso im Tagungsgeschehen etabliert, wo seit vielen Jahren, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern und internationalen Tagungen, eine gute Balance zwischen Teilnehmern aus Hochschulen und Industrie gegeben ist. Dies trifft auch auf die MECHATRONIK 2011 zu, mit 47 (70 %) Beiträgen aus Hochschulen und 20 (30 %) Beiträgen aus der Industrie bzw. Industriebeteiligung. Academia trifft Industrie — Dieser Sachverhalt wird zukünftig auch ganz transparent an den Tagungsorten und dem Tagungsumfeld sichtbar sein. Ab diesem Jahr 2011 wird die Organisation und Ausrichtung durch akademische Tagungsveranstalter durchgeführt werden. Die bisherigen wissenschaftlichen Tagungsleiter Prof. Burkhard Corves (Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule - RWTH Aachen) und Prof. Klaus Janschek (Technische Universität Dresden) werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Torsten Bertram (Technische Universität Dortmund) für die Ausrichtung und Durchführung verantwortlich zeichnen. Als Veranstaltungsort sind entsprechende Räumlichkeiten an den beteiligten Universitäten geplant (2011 in Dresden, 2013 in Aachen, 2015 in Dortmund). Neben einer Kostenersparnis erwarten sich die Veranstalter durch das gegenüber Kongresszentren doch intimere Umfeld einen lebendigen Gedankenaustausch zwischen Wissenschaftlern, Industrievertretern und nicht zuletzt mit dem wissenschaftlichen Nachwuchs. Speziell Studierenden soll damit ein einfacherer Zugang in die Welt des wissenschaftlichen Diskurses mit Experten aus der Industrie und Praxis ermöglicht werden. Academia trifft Industrie — Eine Stärke der bisherigen MECHATRONIK-Tagungen war immer die breite fachliche Verankerung durch die verantwortliche Trägerschaft der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP) und VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (VDI/VDEGMA). Im Selbstverständnis dieser Fachgesellschaften spielt die Bereitstellung von Kommunikationsplattformen zwischen Hochschulen und Industrie eine zentrale Rolle. In den verschiedenen Fachausschüssen von VDI-GPP und VDI/VDE-GMA findet dieser Meinungs- und Informationsaustausch regelmäßig statt. Um eine breitere Fachöffentlichkeit in diese Diskussionen einzubeziehen, ist eine gemeinsame Tagung zum Thema Mechatronik eine logische und fruchtbare Konsequenz. Auch zukünftig wird der enge fachliche und institutionelle Kontakt der Tagung MECAHTRONIK zu den Fachgesellschaften aufgrund der personellen Verankerung der Tagungsveranstalter in den Fachgesellschaften VDI-GPP und VDI/VDE-GMA erhalten bleiben. Das Tagungsprogramm 2011 bietet ein breit gefächertes Angebot an aktuellen und innovativen Fragestellungen zur Mechatronik: mechatronische Produkte, Serienfertigung mechatronischer Produkte, Ressourceneffizienz, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz, Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie innovative Konzepte