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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Ventilsitzes
aus elektrisch leitfähigem Material.
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Die
Anforderungen die im Kraftfahrzeugbau an Ventilsitze gestellt werden,
sind in den letzten Jahren insbesondere mit der Entwicklung moderner,
leistungsstärkerer
Motoren und dabei besonders der Dieselmotoren erheblich gestiegen.
So ist es bei der Fertigung derartiger Motoren unerlässlich,
die Ventilsitze an die geänderten
Anforderungen der gesteigerten Belastung bei modernen Dieselmotoren
beispielsweise durch die Verwendung von hochtemperaturfesten, verschleißarmen Werkstoffen
anzupassen. Die Bearbeitung derartig ausgestalteter, hochbelastbarer
Ventilsitze spielt dabei eine entscheidende Bedeutung, da mittels
konventioneller spanender Bearbeitung die gesteigerten Anforderungen
nur noch schwer erfüllbar
sind.
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Aus
der
DE 44 29 299 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Dichtflächen mittels
funkenerosiven Abtragens bekannt. Dabei wird insbesondere ein Armaturengehäuse mit
einem Dielektrikum gespült
oder in ein solches getaucht und die funkenerosive Bearbeitung erfolgt
mit einer speziell ausgestalteten Werkzeugelektrode. Nachteilig
dabei ist allerdings die komplizierte Vorrichtung, welche in die
Armatur einführbar
sein muss um die Bearbeitung der Dichtflächen zu gewährleisten. Weiterhin ist die Übertragbarkeit
des offenbarten Verfahrens auf Anwendungen im Kraftfahrzeugbau nicht
ohne weiteres machbar, da insbesondere die Anforderungen an tribologisch
und mechanisch hochbelastete Dichtflächen beispielsweise bei Ventilsitzen
wesentlich höher
sind als bei Armaturengehäusen.
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Aus
der
DE 10 2004
030 762 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung
eines Ventilkörpers
für ein
Kraftstoffventil mittels eines elektrochemischen Abtragens bekannt.
Dabei wird ein vorgefertigter, im Wesentlichen zylindrischer Ventilkörper mittels
elektrochemischen Abtragens weiter bearbeitet, so dass das Totvolumen
minimiert wird. Eine Übertragung des
offenbarten Verfahrens auf die Bearbeitungen von Ventilsitzen für Ein- oder
Auslassventile von Verbrennungsmotoren erfordert allerdings erhebliche verfahrenstechnische Änderungen,
um die Anforderungen an tribologisch und mechanisch hochbelastete
Ventilsitze zu erfüllen.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung einer Dichtfläche, insbesondere
eines Ventilsitzes für
ein Ein- oder Auslassventil einer Verbrennungskraftmaschine, anzugeben.
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Die
Aufgabe in Bezug auf das anzugebende Verfahren zur Bearbeitung einer
Dichtfläche
wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung hervor.
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Die
Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
für die
Bearbeitung einer Dichtfläche,
insbesondere eines Ventilsitzes eines Ein- oder Auslassventils einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei die Bearbeitung des Ventilsitzes mittels eines berührungslosen
Abtragens durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer
Bearbeitungselektrode und einem Bearbeitungsobjekt erfolgt und wobei
ein sich dabei zwischen der Bearbeitungselektrode und dem Bearbeitungsobjekt
bildender Bearbeitungsspalt von einem Bearbeitungselektrolyten durchströmt wird,
ein gepulstes elektrochemisches Abtragen verwendet wird.
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Der
Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch den Einsatz des gepulsten
elektrochemischen Abtragens eine hochgenaue Bearbeitung von Dichtflächen mit
einer wesentlich verbesserten Oberflächenfeingestalt geschaffen
ist. Gleichzeitig ist das hochgenaue Bearbeitungsverfahren für elektrisch
leitfähige Werkstoffe
werkstoffunabhängig.
Das bedeutet, dass auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder Werkstoffe
bearbeitet werden können,
die durch reine mechanische Bearbeitung nur unzureichend oder unter hohem
Kostenaufwand auf Endkontur bearbeitbar sind. Dies ist insbesondere
für moderne
Dieselmotoren von Vorteil, bei denen auf Grund der hohen thermischen
Belastung am Ventilsitz entsprechend temperaturbeständige Werkstoffe
verwendet werden, beispielsweise hochwarmfeste Cobalt- oder Eisenbasislegierungen
oder aber thermische Spritzschichten auf Eisen-Chrom-Basis. Diese
Werkstoffe werden im Allgemeinen in Form von Ventilsitzringen oder
aber als direkt aufgespritzte Beschichtung verwendet. Derartige
Legierungen sind allerdings mit konventionellen zerspanenden Bearbeitungsverfahren
nicht oder nur mit großem
Aufwand zu bearbeiten, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch wesentlich wirtschaftlicher,
da mitunter mehrere Bearbeitungsschritte einer konventionellen,
mechanischen Bearbeitung durch beispielsweise zerspanende Bearbeitung
eingespart werden.
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Das
Verfahren der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM – Pulsed
ElectroChemical Machining) ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei
der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeugelektrode
und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei
Werkzeugelektrode und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest
und definiert positioniert, so dass auf dem Bearbeitungsobjekt die
Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bearbeitung abgebildet
wird. Alternativ zur festen Positionierung können das Bearbeitungsobjekt
und die Werkzeugelektrode auch relativ zueinander bewegt werden,
vorzugsweise in einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung.
Der translatorische Vorschub der Werkzeugelektrode erfolgt dabei
vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 3 mm/min,
insbesondere 0,01 mm/min bis 1 mm/min. Für das PECM-Verfahren ist es
insbesondere auch sinnvoll eine oszillierende Bewegung mit einer
Translation oder Rotation zu kombinieren, wobei die Oszillationsfrequenz
auf die Pulsfrequenz der elektrochemischen Bearbeitung abgestimmt
wird, vorzugsweise erfolgt die Oszillation mit einer Amplitude von
weniger als 1,5 mm, insbesondere von 0,2 mm bis 1 mm, und einer
Frequenz größer als
1 Hz, insbesondere 5 Hz bis 100 Hz. Bei der Bearbeitung wird zwischen
der Werkzeugelektrode und dem zu bearbeitendes Objekt eine elektrische
Spannung angelegt, wobei das Bearbeitungsobjekt als Anode und die
Werkzeugelektrode als Kathode geschaltet wird. Für die Bearbeitung wird ein
vorhandener Spalt, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2
mm, zwischen Werkzeugelektrode (Kathode) und Objekt (Anode) mit
einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am
Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff
wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone
herausgespült.
Aufgrund der sehr geringen Spaltbreite besitzt das PECM- Verfahren eine wesentlich
höhere
Bearbeitungsgenauigkeit als herkömmliche
elektrochemische Abtragverfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren
ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht wie bei der konventionellen
elektrochemischen Bearbeitung permanent anliegt, sondern als gepulster
Strom zugeführt
wird. Vorteilhaft ist es dabei die relative Bewegung der Werkzeugelektrode
bei der PECM-Bearbeitung
auf die Pulsfrequenz des getakteten elektrischen Stroms anzupassen,
da so der Austausch der Elektrolytlösung bei der Bearbeitung verbessert
wird. Dadurch befindet sich immer weitestgehend unverbrauchte Elektrolytlösung im
Bearbeitungsspalt, wodurch ein besseres Bearbeitungsergebnis erzielt wird.
Das Verfahren der PECM-Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch
hohe Prozessstabilität
aus.
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In
Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des PECM-Verfahrens wird diese
dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten
RZ kleiner als 5 μm erzielt wird, vorzugsweise
RZ im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm. Damit wird im Vergleich zur
konventionellen mechanischen Bearbeitung aber auch im Vergleich zu
anderen berührungslosen
Abtragsverfahren eine Oberfläche
hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist
und damit eine höhere
Verschleißbeständigkeit
der Dichtfläche
aufweist.
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Mittels
der PECM-Bearbeitung wird die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt
und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen.
Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden
Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel jedoch
ein herkömmlicher
Elektrodenaufbau verwendet, der einen auf die herzustellende Geometrie
speziell ausgestalteten PECM aktiven Teil aufweist, beispielsweise
die Außengeometrie
eines Ventiltellers eines Einlassventils, welche dann durch die PECM-Bearbeitung
exakt auf einen Ventilsitz übertragen
wird.
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Auf
Grund des berührungslosen
Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering,
wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet
wird.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der elektrochemischen Bearbeitung
nur ein minimaler Werkstoffabtrag von weniger als 2,5 mm stattfindet,
vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm. Weiterhin wird der Materialabtrag,
d. h. die Abtragsrate bei der PECM-Bearbeitung, direkt über die im Verfahren angelegte
Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung gesteuert,
so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten
Fläche
angepasst werden kann. D. h. für
eine abzutragende höhere
Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil
zu wählen
und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen. Die PECM-Bearbeitung von
Ventilsitzen von Einlass- oder Auslassventilen für Verbrennungskraftmaschinen
wird damit auch für
eine Serienfertigung wirtschaftlich. Die Bearbeitungszeit reduziert
sich je nach Werkstoffabtrag auf eine Taktzeit von wenigen Sekunden.
Durch Parallelbearbeitung mehrerer Ventilsitze kann diese Taktzeit
weiter reduziert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die an die Dichtfläche,
insbesondere den Ventilsitz, angrenzenden Flächen zumindest teilweise für eine PECM-Bearbeitung
inaktiviert.
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Der
Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass so gewährleistet wird, dass eine PECM-Bearbeitung
nur an der Fläche
des Ventilsitzes erfolgt, an der die hochgenaue Bearbeitung erforderlich
ist. Ein ungewollter Werkstoffabtrag an angrenzenden Flächen durch
bei der elektrochemischen Bearbeitung auftretende Streuströme wird
damit effektiv verhindert. Unter einer inaktivierten Fläche wird
dabei verstanden, dass die Oberfläche nicht mehr elektrisch leitfähig ist, also
elektrisch isoliert ist. Eine Isolierung der Oberflächen kann
dabei über
alle bekannte Möglichkeiten der
Isolierung ausgestaltet werden, vorzugsweise ist sie durch eine
Beschichtung, insbesondere auf keramischer Basis oder durch eine
Kunststoffschicht, auszugestalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Werkzeugelektrode
eine definierte Mikrostrukturierung der Elektrodenoberfläche auf,
wie beispielsweise definiert ausgerichtete, umfängliche Mikroriefen, und/oder
definierte weitere Geometrieformen, wie beispielsweise eine definierte
Balligkeit der Werkzeugelektrode, welche dann infolge der PECM-Bearbeitung
hochgenau und exakt auf die Bearbeitungsoberfläche übertragen werden. Der Vorteil dieser
Ausgestaltung ist, dass durch entsprechende Ausgestaltung derartiger
geometrischer Modifikationen die Abdichtung der zu bearbeitenden
Dichtfläche weiter
verbessert und somit die Funktionsfähigkeit beispielsweise eines
Ventilsitzes wesentlich gesteigert werden kann, dadurch dass die
Abdichtung auch bei stark erhöhten
Druck- bzw. Temperaturbedingungen gewährleistet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei der PECM-Bearbeitung die Hauptströmungsrichtung des Bearbeitungselektrolyten
an der zu bearbeitenden Dichtfläche,
insbesondere am zu bearbeitenden Ventilsitz, entgegen der Vorschubrichtung
der Bearbeitungselektrode gewählt.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Austausch der Elektrolytlösung im Bearbeitungsspalt
weiter verbessert wird, wodurch die Prozessstabilität und die
Bearbeitungsqualität
gesteigert werden. Die Elektrolytlösung ist dabei vorzugsweise
unter Umgebungsdruck zuzuführen,
allerdings ist auch jeglicher anderer Zuführdruck möglich. Die Elektrolytlösung ist
dabei der PECM-Bearbeitung von außen und/oder über mindestens
einen in der Werkzeugelektrode angeordneten Kanal zuführbar.
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Weitere
Gegenstände
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind
in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
und der Figur näher
erläutert.
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1 zeigt
dabei eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines
Querschnitts durch einen mittels PECM zu bearbeitenden Ventilsitz
(1) einer nicht näher
dargestellten Verbrennungskraftmaschine.
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Bei
der Fertigung von 4-Zylinder-Reihenmotoren mit jeweils 4-Ventilen je Zylinder
für Kraftfahrzeuge
werden die Ventilsitze mittels des PECM-Verfahrens bearbeitet. Aufgrund
der im Betriebszustand des Motors entstehenden hohen Temperaturen
und Drücke
an den Ventilsitzen (1) wird ein vorgefertigter Ventilsitzring
(2) aus einer hochwarmfesten Cobalt-Basis-Legierung in
den Zylinderkopf (3) aus Grauguss eingesetzt. Anschließend werden
die Außenflächen des
Ventilringes (2) und die daran anschließenden Außenflächen des Zylinderkopfes (3), welche
nicht elektrochemisch bearbeitet werden, mit einer 0,5 mm dicken
keramischen Schicht beschichtet (41, 42, 43, 44).
Diese elektrisch isolierend wirkenden Keramikschichten (41, 42, 43, 44)
werden über
ein konventionelles Spritzverfahren aufgebracht und sind nach der
PECM-Bearbeitung wieder entfernbar.
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In
einem daran anschließenden
Verfahrensschritt erfolgt die endgültige Bearbeitung der Ventilsitze
(1) mittels PECM. An jedem Ventilsitz (1) wird dabei
eine Materialdicke von 0,3 mm in Richtung der Flächennormalen abgetragen. Aus
wirtschaftlichen Gründen
erfolgt eine Parallelbearbeitung aller Ventilsitze (1)
eines Zylinderkopfes (3), wozu die Vorrichtung eine entsprechende
Anzahl an Werkzeugelektroden (5) aufweist. Die elektrochemische
Bearbeitung erfolgt auf einer herkömmlichen hier nicht weiter beschriebenen
Vorrichtung zur PECM-Bearbeitung. Die weiteren für die Bearbeitung erforderlichen
Anschlussmittel, wie beispielsweise zur Aufnahme der Werkzeugelektroden
(5), zur Stromversorgung, zur Aufnahme des Zylinderkopfes
(3) und dessen definierten Positionierung relativ zu den
Werkzeugelektroden (5) und zur weiteren Prozessteuerung
sind hierbei nicht näher
erläutert
aber selbstverständlich vorhanden.
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Für die PECM-Bearbeitung
jeweils eines Ventilsitzes (1) wird eine Werkzeugelektrode
(5) verwendet, die an ihrem elektrochemisch aktiven Teilbereich
(51) die geometrische Ausgestaltung eines Kegelstumpfes
aufweist. Die weiteren Teile der Werkzeugelektrode (5)
sind elektrisch isoliert.
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Zur
Durchführung
der PECM-Bearbeitung wird der Zylinderkopf (3) definiert
in der Vorrichtung aufgenommen und eingespannt. Anschließend werden
die einzelnen Werkzeugelektroden (5) automatisch in den
einzelnen Ventilsitzen (1) positioniert. Dabei umschließt ein Ventilsitz
(1) eine zuvor beschriebene Werkzeugelektrode (5)
so, dass sich zwischen der zu bearbeitenden Fläche des Ventilsitzes (1)
und der PECM- aktiven
Fläche
(51) der Werkzeugelektrode (5) ein Arbeitsspalt
von 0,1 mm ergibt. Bei der PECM-Bearbeitung eines Ventilsitzes (1)
wird die Werkzeugelektrode (5) mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von 0,5 mm/min in Vorschubrichtung (6) bewegt, so dass
der Arbeitsspalt bei der Bearbeitung weitestgehend konstant ist.
Gleichzeitig wird der konstanten Vorschubgeschwindigkeit eine oszillierende Bewegung
in Richtung (7), d. h. parallel zur Vorschubrichtung (6), überlagert.
Die Frequenz der Oszillation ist auf die Pulsfrequenz der Spannungsimpulse
der PECM-Bearbeitung abgestimmt, so dass bei jedem Spannungsimpuls,
wodurch ein elektrochemischer Materialabtrag stattfindet, auch eine
Oszillationsbewegung stattfindet, die durch eine Art Pumpbewegung
den Austausch der Elektrolytlösung fördert. Die
Oszillationsfrequenz beträgt
dabei 60 Hz, während
die Amplitude der Oszillation 0,2 mm beträgt.
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Die
Elektrolytlösung,
eine gebräuchliche Salzlösung, wird
hier der PECM-Bearbeitung entgegen der Vorschubrichtung (6)
unter 1,5-fach erhöhtem
Umgebungsdruck zugeführt.
Die PECM-Bearbeitung
der Ventilsitze (1) des Zylinderkopfes (3) findet
somit mit einer Taktzeit von 30 sec statt.
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Der
Verfahrensablauf findet vollautomatisiert statt, so dass nach Beendigung
der PECM-Bearbeitung der Zylinderkopf (3) mit den bearbeiteten
Ventilsitzen (1) automatisiert aus der Vorrichtung entnommen
wird und ein weiterer neu zu bearbeitender Zylinderkopf (3)
in die Vorrichtung eingesetzt wird.