-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche
einer Bohrung in einem Werkstück, welches zumindest im
Bereich der Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff
besteht, insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche
bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen,
ein zur Durchführung des Verfahrens verwendbares Bearbeitungswerkzeug,
eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine
sowie ein durch das Verfahren herstellbares Werkstück.
-
Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
-
Die
Zylinderlaufflächen in Motorblöcken von Brennkraftmaschinen
sind im Betrieb der Brennkraftmaschine einer starken tribologischen
Bean spruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von
Motorblöcken darauf an, diese und andere tribologisch beanspruchbare
Flächen, beispielsweise Gleitlager in Pleuelbohrungen,
so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen
eine ausreichende Schmierung durch ein Ölfilm gewährleistet ist
und dass der Reibwiderstand von sich relativ zueinander bewegenden
Teile sowie der Verschleiß im Betrieb möglichst
gering gehalten werden.
-
Die
Endbearbeitung tribologisch beanspruchbarer Bohrungsinnenflächen
im Motorenbau erfolgt in der Regel mit einem geeigneten Feinbearbeitungsverfahren,
bei dem während mindestens einer Bearbeitungsoperation
ein Bearbeitungswerkzeug innerhalb der zur bearbeitenden Bohrung
eine Arbeitsbewegung ausführt und mindestens ein an dem
Bearbeitungswerkzeug angebrachtes Bearbeitungselement mechanisch
auf die Innenfläche einwirkt. Als Bearbeitungselemente
eines Honwerkzeuges sind z. B. Honsteine oder Honleisten vorgesehen,
die eine spanabhebende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter
Schneide ermöglichen. Beim Honen entsteht durch eine gleichzeitige
Drehbewegung und Hubbewegung des Honwerkzeuges ein für diese
Bearbeitung typisches Kreuzschliffmuster an der zu bearbeitenden
Innenfläche, welches für die Trag- und Schmiereigenschaften
des bearbeitenden Werkstückes von Bedeutung ist. Außerdem
wird durch das Honen in der Regel die Makroform der Bohrung an die
angestrebte Sollform angenähert.
-
Im
Hinblick auf die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und auf die
Erhöhung des Leistungsgewichts von Kraftfahrzeugen werden
seit Jahren vielfältige Möglichkeiten der Massereduzierung
an allen Bauteilen verfolgt. Da die Motoren einen relativ hohen
Anteil am Gesamtfahrzeuggewicht haben, bieten Motoren ein besonders
hohes Einsparpotential für gewichtssenkende Maßnahmen.
Dem Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen bei Komponenten für den
Fahrzeugantrieb kommt dabei besondere Bedeutung zu. So werden beispielsweise
seit Jahren monolithische Mo torblöcke für hochleistungsfähige Ottomotoren
aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung,
d. h. aus seiner Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt vom
mehr als 12,5 Gew.-% hergestellt, beispielsweise aus der Al-Si-Legierung
AlSi17Cu4Mg, die unter dem Markennamen ALUSIL
® angeboten
wird. Übereutektische Aluminium-Silizium-Gusslegierungen
bilden beim Erstarren harte Primärausscheidungen aus Silizium,
die bei der Bearbeitung der Zylinderlaufflächen unter Zurücksetzen
der weicheren metallischen Matrix freigelegt werden, so dass die
Kolbenringe auf den Primärsiliziumkristallen gleiten können.
Auf diese Weise hergestellte Zylinderlaufflächen haben
eine hohe Verschleißfestigkeit und bieten ausreichend Haltevolumen
für Öl. Feinbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung
solcher Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken
und Kurbelgehäusen sind beispielsweise in der
EP 0 818 271 B1 und den
darin zitierten Dokumenten angegeben.
-
Übereutektische
Al-Si-Legierungen werden auch zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen
verwendet, die in ein Kurbelgehäuse aus einem anderen Leichtmetallwerkstoff
eingesetzt und dann feinbearbeitet werden. Die Patentanmeldung
DE 10 2006 005 193
A1 beschreibt Kurbelgehäuse aus einer untereutektischen
Aluminiumlegierung mit einer eingesetzten Zylinderlaufbuchse aus
einer übereutektischen Aluminiumlegierung. Bei einer solchen
heterogenen Bauform muss der Kurbelgehäusewerkstoff nicht
die für einen Zylinderlaufflächenwerkstoff geforderten
Eigenschaften haben, sondern kann im Hinblick auf seine Eignung
als Konstruktionswerkstoff für das Kurbelgehäuse
ausgewählt werden. Bei Verwendung einer untereutektischen
Aluminiumlegierung für das Kurbelgehäuse steigt
die mechanische Festigkeit und der Gießprozess wird im
Vergleich zu übereutektischen Legierungen vereinfacht.
Untereutektische Al-Si-Legierungen werden allerdings, u. a. wegen
einer erhöhten Neigung zum Fressen (seizing), als nicht
geeignet zur Bildung von Zylinderlaufflächen angesehen.
-
Als
Alternative zum Einbau gesonderter Zylinderlaufbuchsen in ein gegossenes
Kurbelgehäuse ist auch die Herstellung von Kurbelgehäusen
aus einer untereutektischen Al-Si-Legierung in Kombination mit einer
Beschichtung der Zylinderlaufbahn bekannt. Solche Bauformen werden
gelegentlich als quasi-monolithische Formen bezeichnet. Bei bekannten
quasi-monolithischen Kurbelgehäusen wird galvanisch eine
Nickel-Dispersionsschicht auf die Zylinderlaufbahn aufgebracht.
Die Nickel-Dispersionsschicht enthält in Nickel gebundene
Siliziumkarbidteilchen, die gleichmäßig verteilt
eingelagert sind. Derartig beschichtete Zylinderlaufbahnen haben
gute Laufeigenschaften und geringen Verschleiß und können
mit Kolben und Kolbenringen aus handelsüblichen Werkstoffen
kombiniert werden. Der Herstellungsprozess ist jedoch aufgrund der
Beschichtung relativ kostenintensiv und aus Umweltgesichtspunkten
problematisch.
-
Auch
Magnesiumlegierungen werden als Leichtbauwerkstoffe im Motorenbau
eingesetzt, z. B. im Verbund mit Aluminiumlegierungen zur Herstellung
von Magnesium-Aluminium Verbundkurbelgehäusen (vgl.
EP 1 433 552 A1 ).
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein insbesondere bei der Bearbeitung
von Zylinderlaufflächen für Leichtmetall-Motorblöcke
einsetzbares Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche
einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, mit dem
tribologisch optimierte Innenflächen erzeugt werden können.
Insbesondere soll eine verbesserte Verschleißbeständigkeit
der bearbeiteten Innenflächen bei der bestimmungsgemäßen
Verwendung erzielt werden.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
von Anspruch 1, sowie durch ein Bearbeitungswerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch
19 oder eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen zum Anspruch
27.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird
durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
-
Bei
dem Verfahren wird die Innenfläche einer Bohrung in einem
Werkstück feinbearbeitet, wobei das Werkstück
zumindest in dem an die Innenfläche angrenzenden Bereich
der Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht.
Das Verfahren umfasst eine Reibverfestigungsoperation. Zur Durchführung
der Reibverfestigungsoperation wird ein Bearbeitungswerkzeug mit
mindestens einem Reibelement verwendet, das eine zum Reibkontakt mit
der Innenfläche vorgesehene Kontaktfläche bzw. Wirkfläche
hat. Das Reibelement wird mit einer Relativgeschwindigkeit gegenüber
der Innenfläche und unter einem reibungsfördernden
Druck derart über die Innenfläche bewegt, dass
unter der Einwirkung von Gleitreibung und Druck im Bereich der Innenfläche
eine im Wesentlichen durch Gleitreibung und Druck induzierte Reibverfestigungsschicht
erzeugt wird.
-
Bei
der Reibverfestigungsoperation wird in der oberflächennahen
Einflusszone aufgrund einer Gefügeumwandlung bzw. Gefügeveränderung
des Leichtmetallwerkstoffes eine mehr oder weniger dicke oberflächennahe
Schicht erzeugt, die eine größere Festigkeit und
ggf. größere Härte als das darunter liegende
Volumenmaterial hat und damit der Innenfläche die gewünschten,
im Vergleich zu unbearbeiteten Oberflächen verbesserten
tribologischen Eigenschaften verleiht. Es wird somit ein Oberflächenwerkstoff
mit verbesserten tribologischen Eigenschaften erzeugt. Die erzeugte
Schicht wird in dieser Anmeldung auch als „Reibverfestigungsschicht” bezeichnet.
-
Eine
Besonderheit der erzeugten Reibverfestigungsschicht besteht darin,
dass sie – im Gegensatz zu nachträglich aufgebrachten
Beschichtungen (coatings) – chemisch, d. h. hinsichtlich
ihrer Zusammensetzung, im Wesentlichen identisch zum darunterliegenden
Volumenmaterial sein kann. Die Schichtstruktur kann in einer mehr
oder weniger scharf definierten Übergangszone in die Struktur
des Volumenmaterials übergehen. Die Bindung zwischen dem
Leichtmetallwerkstoff in der Schicht und dem darunterliegenden Leichtmetallwerkstoff
ist in der Regel nicht schwächer als die inneren Bindungskräfte im
Volumenmaterial, da die Schicht aus dem Leichmetall-Material des
Werkstückes durch Gefügeumwandlung erzeugt wird.
-
Typische
Schichtdicken der bei der Reibverfestigungsoperation erzeugten oberflächlichen Schicht
können im Bereich von einem oder mehreren Mikrometern oder
auch darüber liegen, beispielsweise im Bereich von einem
oder mehreren Zehntel Millimetern. Gegebenenfalls sind auch Schichtdicken
in der Größenordnung von bis zu einem Millimeter
oder mehr möglich.
-
Bei
der Reibverfestigungsoperation findet vorzugsweise praktisch kein
Materialabtrag an der Innenfläche statt. Vielmehr wird
die oberflächennahe Schicht vorzugsweise durch spanloses
Abgleiten des mindestens einen Reibungselementes an der Oberfläche
erzeugt. Dadurch wird im oberflächennahen Bereich eine
Einflusszone derart aufgeheizt und/oder verformt, dass es in einer
oberflächennahen Schicht des Leichtmetallwerkstoffes zu
einer Gefügeumwandlung kommt, die den durch die Reibverfestigungsoperation
bearbeiteten Oberflächen eine gegenüber der unbearbeiteten
Oberfläche verbesserte Härte und Festigkeit verleiht.
Die Reibverfestigungsoperation kann zu einer Oberflächenhärtung
und einer Verfestigung einer oberflächennahen Schicht führen,
ohne dass sich die Dimension der Bohrung (insbesondere Durchmesser
und Form) signifikant ändert.
-
Bei
der Reibverfestigungsoperation können unterschiedliche
Wirkmechanismen im oberflächennahen Bereich des Leichtmetallwerkstoffs
in Gang gesetzt bzw. genutzt werden.
-
Bei
manchen Ausführungsformen werden die Bearbeitungsparameter
der Reibverfestigungsoperation so eingestellt, dass in einer an
die Innenfläche der Bohrung angrenzenden Schicht eine Kaltverfestigung
des Leichtmetallwerkstoffes induziert wird. Der Begriff „Kaltverfestigung” bezeichnet
hierbei eine Festigkeitssteigerung des Leichtmetallwerkstoffes, die
bei einer plastischen Verformung des Leichtmetallwerkstoffs im weitgehend
kalten Zustand auftritt. Die im innenflächennahen Bereich
des Leichtmetallwerkstoffs vorliegenden Temperaturen liegen dabei typischerweise
weit unterhalb der materialspezifischen Schmelztemperatur TS. Die Temperaturen können z. B.
im Bereich von weniger als 150°C oder weniger als 100°C
liegen.
-
Der
polykristalline Leichtmetallwerkstoff hat innerhalb seiner Kristallite
(Körner) Gleitmöglichkeiten sowie Baufehler, die
innerhalb der Kristallstruktur Versetzungen hervorrufen. Die durch
die äußere Krafteinwirkung am Kristallgitter auftretenden
Schubspannungen können zum Abgleiten ganzer Kristallbereiche
auf Gleitebenen und zur Bewegung von Versetzungen führen.
Die Versetzungen können bis zu den Korngrenzen der Kristalle
wandern, sich dort aufstauen und vervielfachen und können
je nach ihrer Anordnung und Dichte weitere Verformungen des Kristallmaterials
blockieren. Dieser Effekt führt dann zu der gewünschten
Festigkeitssteigerung, wobei normalerweise gleichzeitig die Verformbarkeit
(Duktilität) abnimmt. Wenn durch die Reibverfestigungsoperation
eine Kaltverformung induziert werden soll, sind somit mit Hilfe
des Reibelementes die für die Induzierung dieser Prozesse
erforderlichen Kräfte und Bewegungen aufzubringen.
-
Vorzugsweise
wird das Bearbeitungswerkzeug für das Kaltverfestigen während
der Reibverfestigungsoperation phasenweise so gedreht, dass sich die
Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeuges während der Dauer
der Reibverfestigungsoperation mehrfach ändert, so dass
das Bearbeitungswerkzeug in der Bohrung hin und her gedreht wird.
Eine Arbeitsbewegung, die eine solche oszillierende links-rechts
Drehung beinhaltet, führt besonders schnell zu einer starken
Oberflächenverfestigung. Es kann eine ggf. oszillierende
Hubbewegung überlagert sein, was aber häufig nicht
nötig ist. Eine durch Gleitreibung vermittelte mechanische
Wechselbeanspruchung erscheint günstig.
-
Bei
anderen Varianten der Reibverfestigungsoperation werden die Bearbeitungsparameter so
eingestellt, dass in erheblichem Ausmaß Reibungswärme
erzeugt wird und unter der Einwirkung der Reibungswärme
im Bereich der Innenfläche eine im Wesentlichen durch Gleitreibungswärme
induzierte Oberflächenverfestigung erzeugt wird. In diesem Fall
wird somit eine im Wesentlichen thermisch induzierte Gefügeumwandlung
erzeugt, die ebenfalls zu einer oberflächennahen Schicht
führen kann, deren Festigkeit deutlich größer
ist als die Festigkeit des darunterliegenden, nicht thermisch umgewandelten bzw.
beeinflussten Volumenmaterials.
-
In
der Regel ist bei der Reibverfestigungsoperation einer der genannten
Prozesse (Kaltverfestigung oder thermisch induzierte Gefügeumwandlung) dominierend,
was durch geeignete Bearbeitungsparameter (z. B. Geschwindigkeitsprofil
der Arbeitsbewegung, Anpressdruck, Reibelement-Auswahl) eingestellt
werden kann.
-
Um
eine überwiegend thermisch induzierte Gefügeänderung
zu erzielen, können bei der Reibverfestigungsoperation
in der oberflächennahen Wärmeeinflusszone Temperaturen
T erzeugt werden, die deutlich höher sind als die im Betrieb
des Werkstücks auftretenden Temperaturen. Die Temperatur
kann z. B. phasenweise (typischerweise eine oder mehrere Sekunden)
mindestens 50% der materialspezifischen Schmelztemperatur TS des Leichtmetallwerkstoffes erreichen,
d. h. T ≥ 0,5 TS. Häufig gilt
T ≥ 0,6 TS oder T ≥ 0,8
TS oder T ≥ 0,9 TS Vorzugsweise
werden bei der Reibverfestigungsoperation im Bereich nahe der bearbeiteten
Innenfläche mindestens zeitweise Temperaturen von mehr
als 300°C oder mehr als 500°C oder mehr als 600°C
oder mehr als 700°C erzeugt.
-
Bei
einer derart starken reibungsinduzierten Aufheizung oberflächennaher
Bereiche des Leichtmetallwerkstoffes kann es in diesem Bereich nach
Art eines Lösungsglühens zu Veränderungen
im Leichtmetallwerkstoff kommen, die die Festigkeit der oberflächennahen
Schicht steigern. Bei einer anschließenden Abkühlung,
die gegebenenfalls durch aktive Kühlung unterstützt
werden kann, können sich Druckeigenspannungen in der oberflächennahen Schicht
erhöhen, wodurch die mechanische Festigkeit steigt.
-
Bei
einer Weiterbildung des Verfahrens mit thermisch induzierter Gefügeumwandlung
wird der Leichtmetallwerkstoff während der Reibverfestigungsoperation
im Bereich der Innenfläche unter dem Einfluss der erzeugten
Reibungswärme mindestens teilweise aufgeschmolzen und erstarrt
anschließend. Die Reibverfestigungsoperation wird hierzu
so durchgeführt, dass der Leichtmetallwerkstoff durch die
Reibungswärme über einen gewissen Zeitraum auf
Temperaturen oberhalb der materialspezifischen Schmelztemperatur
TS aufgeheizt wird. Der zeitliche Temperaturverlauf,
d. h. das Temperatur-Zeit-Profil während der Reibverfestigungsoperation,
kann dabei z. B. so gesteuert werden, dass sich durch die dem Aufschmelzen
folgende Erstarrung Druckeigenspannungen in der Oberflächennahtschicht
erhöhen und dadurch die mechanische Festigkeit, z. B. die
Dauerfestigkeit der Bohrung erhöht. Zusätzlich
kann eine Aufhärtung erzeugt werden, wodurch sich eine
erhöhte Verschleißfestigkeit der bearbeiteten
Innenfläche ergibt.
-
Das
Ausmaß der Aufheizung kann durch Einflussnahme auf die
Prozessparameter, insbesondere durch Auswahl geeigneter Reibelemente,
die Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. des Geschwindigkeitsprofils
für die Bewegung der Reibelemente und über die
Dauer der Eingriffszeit beeinflusst werden. Während es
beispielsweise für das oberflächliche Aufschmelzen
eine eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung (eutektische Temperatur bei
ca. 577°C) reichen kann, wenn die oberflächennahe
Temperatur auf 580° bis 600°C oder darüber gesteigert
wird, sind für das Aufschmelzen größerer Volumenanteile übereutektischer
Aluminiumlegierungen gegebenenfalls deutlich höhere oberflächennahe
Temperaturen oder längere Eingriffszeiten erforderlich,
beispielsweise ca. 850° oder darüber zum vollständigen
Aufschmelzen übereutektischer Al-Si-Legierungen mit ca.
30 gew.-% Silizium. Für das partielle Aufschmelzen untereutektischer
Aluminiumlegierungen reichen wiederum niedrigere Temperaturen, die
knapp oberhalb der eutektischen Temperatur, z. B. im Bereich zwischen
600°C und 650°C liegen können. Auch reines
Aluminium (Schmelzpunkt bei ca. 660°C) kann bei entsprechender
Verfahrensführung bearbeitet und dabei oberflächlich aufgeschmolzen
werden. Bei der Bearbeitung von Leichtmetallwerkstoffen auf Basis
von Magnesium, insbesondere bei Magnesium-Aluminium-Legierungen,
reichen in der Regel etwas niedrigere Temperaturen, beispielsweise
um ca. 460°C für eine eutektische Magnesium-Aluminium-Legierung
mit ca. 33 Gew.-% Aluminium.
-
Eine
besonders starke Erhöhung der Festigkeit und Verschleißbeständigkeit
kann sich bei manchen Weiterbildungen des Verfahrens dadurch ergeben,
dass die Innenfläche nach einem mindestens teilweisen Aufschmelzen
des Leichtmetallwerkstoffes im Bereich der Innenfläche
durch Zufuhr eines flüssigen oder gasförmigen
Kühlfluids aktiv abgeschreckt wird. Hierdurch kann eine
besonders schnelle Erstarrung erzielt werden, wodurch gegebenenfalls
die beim Erstarren entstehenden Druckeigenspannungen noch höher
werden als bei Verfahrensvarianten ohne die aktive Abschreckung.
Außerdem können sich feinere Erstarrungsgefüge
mit anderen Festigkeitseigenschaften ergeben.
-
Als
Kühlfluid können geeignete Flüssigkeiten,
beispielsweise Wasser, wasserbasierte Lösungen, Öle,
z. B. Härteöle, oder Emulsionen verwendet werden,
die ggf unter geeignetem Druck aufgesprüht, aufgespritzt
oder aufgeschwallt werden können.
-
Bei
manchen Ausführungsformen werden vor und/oder während
der Reibverfestigungsoperation Feststoffpartikel und/oder Feststofffasern
in die Bohrung eingeleitet und durch die Reibverfestigungsoperation
in eine oberflächennahe Schicht an der Innenfläche
der Bohrung in den Leichtmetallwerkstoff eingebaut. Die Einleitung
kann direkt in die Bohrung und/oder über das mit entsprechenden
Zufuhrkanälen ausgestattete Bearbeitungswerkzeug erfolgen. Bei
dem eingeleiteten Feststoffmaterial kann es sich beispielsweise
um Pulver und/oder Fasern aus keramischem Material wie Silizium,
Glas, Mullit, Zirkonoxid, Magnesiumoxid und/oder um ausreichend
harte metallische Materialien, beispielsweise Wolfram, Molybdän
oder dergleichen oder um Mischungen aus diesen Materialien handeln.
Bei der Stoffauswahl ist zu beachten, dass die Materialien die Reibelemente nicht
zu stark verschleißen sollten und beim Einbau kein Gase,
z. B. H2O oder dergleichen, freisetzen.
-
Die
hinzugefügten Feststoffe können ggf. in den nicht
aufgeschmolzenen Leichtmetallwerkstoff mit Hilfe der Reibelemente
oberflächlich eingedrückt werden. Ein besonders
fester Einbau in die Leichtmetallmatrix ergibt sich dann, wenn der
Leichmetallwerkstoff während der Reibverfestigungsoperation oberflächlich
aufgeschmolzen wird, so dass sich die zugegebenen Feststoffe in
der oberflächennahen Schmelzschicht gut verteilen und fest
eingebunden werden können. Durch die eingebauten Feststoffe tritt
an der oberflächennahen Schicht eine Partikelverstärkung ein,
die zum einen die Festigkeit des Werkstoffs im Bereich der Innenfläche
steigert und auch die Verschleißbeständigkeit
verbessert.
-
Das
Festkörpermaterial kann während der gesamten Reibverfestigungsoperation
zugegeben werden. Es ist auch möglich, dass die Materialzugabe
nur in gewissen Zeitabschnitten des Reibverfestigungsprozesses stattfindet,
z. B. am Anfang oder am Ende der Reibverfestigungsoperation.
-
Obwohl
es möglich ist, dass bei der Reibverfestigungsoperation
ein gegebenenfalls reibungsverstärkendes flüssiges
Bearbeitungshilfsmittel zugegeben wird, wird bei bevorzugten Varianten
die Reibungsverfestigungsoperation trocken durchgeführt. Normalerweise
wird angestrebt, dass die zu bearbeitende Innenfläche zu
Beginn der Reibverfestigungsoperation bereits im Wesentlichen trocken,
d. h. frei von Flüssigkeiten ist. Durch die damit mögliche
trockene Gleitreibung zwischen Reibelement und Werkstückoberfläche
ist eine besonders schnelle Aufheizung oder eine besonders wirkungsvolle
Kaltverfestigung der oberflächennahen Schicht möglich.
-
Bei
manchen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass vor der Reibverfestigungsoperation
eine materialabtragende Vorbereitung der Bohrung unter Verwendung
eines flüssigen Bearbeitungshilfsstoffes durchgeführt
wird. In diesen Fällen kann vorgesehen sein, dass die Innenfläche
vor Beginn der Reibverfestigungsoperation oder in der Anfangsphase
der Reibverfestigungsoperation in einem Trocknungsschritt zur Beseitigung
von Flüssigkeitsresten aktiv getrocknet wird. Für
den Trocknungsschritt kann beispielsweise Druckluft oder ein anderes
Druckgas auf die Innenfläche aufgeblasen werden, mit Hilfe
eines in das Werkzeug integrierten Fluidkanalsystems mit auf die Innenfläche
gerichteten Auslassdüsen.
-
Die
Arbeitsbewegung des Bearbeitungswerkzeuges während der
Reibverfestigungsoperation umfasst in der Regel eine Drehung des
Bearbeitungswerkzeuges innerhalb der Bohrung, wobei dieser Drehung, ähnlich
wie beim Honen, eine axial hin- und hergehende Hubbewegung überlagert
sein kann. Eine ausschließlich axial oszillierende Arbeitsbewegung
oder eine Bewegung mit Drehrichtungsumkehr, ggf. ohne Axialbewegung,
ist ebenfalls möglich. Weiterhin ist es möglich,
dass das Bearbeitungswerkzeug so angeregt wird, dass das Werkzeug
periodisch aufgeweitet und zusammengezogen wird. Für schnell
oszillierende Arbeitsbewegungen kann das Werkzeug beispielsweise
mittels Ultraschall angeregt werden.
-
Um
eine besonders schnelle Aufheizung und reibungsinduzierte Temperaturen
von mehreren hundert Grad Celsius erreichen zu können,
wird das Bearbeitungswerkzeug bei bevorzugten Verfahrensvarianten
während der Reibverfestigungsoperation mindestens phasenweise
mit einer Drehzahl von mehr als 1000 min–1 gedreht,
wobei die Drehzahl vorzugsweise mindestens phasenweise bei mehr
als 5000 min–1 liegt und beispielsweise
im Bereich von 8000 bis 10.000 min–1 oder
darüber liegen kann. Die Arbeitsbewegung kann insbesondere
bei solchen hohen Drehzahlen eine reine Drehbewegung ohne überlagerte
Hubbewegung sein.
-
Wenn
bei einer reinen Drehbewegung Reibelemente verwendet werden, die
deutlich kürzer als die Bohrungslängen sind, können
auf diese Weise axial schmale Zonen mit Reibverfestigungsschicht erzeugt
werden, deren axiale Ausdehnung kurz gegenüber der Bohrungslänge
ist, beispielsweise weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger
als 20% der Bohrungslänge beträgt. So können
beispielsweise im Bereich des oberen Umkehrpunktes und/oder im Bereich
des unteren Umkehrpunktes einer Kolbenbewegung Verstärkungszonen
an einer Zylinderlauffläche eingebracht werden. Wenn die Reibelemente
etwa so lang wie die Bohrungslänge oder länger
sind, kann eine Reibverfestigungsschicht erzeugt werden, die sich
im Wesentlichen über die gesamte Bohrungslänge
erstreckt.
-
Generell
kann die Reibverfestigungsoperation so durchgeführt werden,
dass die gesamte nutzbare Länge der Bohrung durch Reibverfestigen
bearbeitet wird. Hierzu können Bearbeitungswerkzeuge verwendet
werden, deren Reibelemente etwa gleich lang wie die Bohrung oder
länger als die Bohrung sind. Die Bearbeitung kann ohne
Hub oder nur mit kurzem Hub durchgeführt werden, wobei
die Hublänge bei einem kurzen Hub wesentlich kürzer
als die axiale Bohrungslänge ist, beispielsweise weniger
als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 10% der axialen Länge
der Bohrung.
-
Soll
nur ein Teil der Bohrungsinnenfläche bearbeitet werden,
so sind in der Regel kürzere Bearbeitungszeiten und weniger
Antriebsleistung erforderlich, bei Verfahrensvarianten mit Materialzugabe ist
weniger Zugabematerial erforderlich. Es ergeben sich also neben
den technischen auch wirtschaftliche Vorteile.
-
Es
ist auch möglich, dass Bearbeitungswerkzeuge verwendet
werden, bei denen die Reibelemente wesentlich kürzer als
die Bohrung sind. Wenn diese mit einem geeigneten axialen Hub betrieben werden,
so kann eine Reibverfestigung im Wesentlichen über die
gesamte Bohrungslänge erreicht werden. Die Verwendung von
Bearbeitungswerkzeugen mit Reibelementen, die wesentlich kürzer
als die Bohrungslänge sind, kann jedoch auch dazu benutzt werden,
nur in ausgewählten axialen Abschnitten der Bohrung die
Oberfläche durch Reibverfestigen zu modifizieren. Beispielsweise
kann an Zylinderlaufflächen in Brennkraftmotoren die lokale
Verfestigung nur an Stellen mit besonders hoher Belastung eingebracht
werden, beispielsweise in Form eines Streifens in der Nähe
oder am oberen Umsteuerpunkt der Kolbenbewegung und/oder in der
Nähe oder am unteren Umsteuerpunkt der Kolbenbewegung.
Die axiale Ausdehnung solcher in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden
Streifen kann weniger als die Hälfte der Bohrungslänge
betragen, z. B. 40% oder weniger oder 30% oder weniger oder 20%
oder weniger der axialen Bohrungslänge.
-
Auf
diese Weise können an dem bearbeiteten Werkstück
mindestens zwei in Axialrichtung der Bohrung benachbarte Bohrungsabschnitte
mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften erzeugt
werden, wobei an mindestens einem der Bohrungsabschnitte eine durch
Reibverfestigung erzeugte Reibverfestigungsschicht vorliegt. Ein
anderer Bohrungsabschnitt kann bei der Reibverfestigungsoperation ausgespart
bleiben und damit frei von einer Reibverfestigungsschicht sein.
-
Die
Reibverfestigungsoperation kann die letzte Bearbeitungsoperation
eines einstufigen oder mehrstufigen Feinbearbeitungsverfahrens sein.
Die Reibverfestigungsoperation kann unmittelbar nach einer Vorbearbeitung
durchgeführt werden, die z. B. ausgelegt ist, an der Innenfläche
z. B. mittels Honen oder Laserstrukturieren oder mittels einer Kombination
dieser Verfahren eine funktionelle Oberflächenstruktur
zu erzeugen. Diese Struktur wird dann ggf. durch die Reibverfestigungsoperation
noch leicht modifiziert.
-
Bei
manchen Verfahrensvarianten wird nach der Reibungsverfestigungsoperation
eine materialabtragende Nachbearbeitungsoperation durchgeführt.
Die Nachbearbeitungsoperation kann der Formgebung der Bohrung und/oder
der Erzeugung einer funktionellen Oberflächenstruktur dienen.
So ist beispielsweise eine Nachbearbeitung der mit der Reibverfestigungsschicht
versehenen Innenfläche mittels Honen, Laserbelichten oder
Laserstrukturieren oder mittels einer Kombination dieser Verfahren möglich.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein zur Durchführung des Verfahrens
geeignetes und entsprechend angepasstes Bearbeitungswerkzeug zur
Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück,
insbesondere zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche bei
der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen.
Das Bearbeitungswerkzeug hat mindestens ein Reibelement, das mindestens
eine zum Reibkontakt mit der Innenfläche vorgesehene nicht-abrasive
Kontaktfläche aufweist.
-
Ein
Reibelement ist im Bereich der vorzugsweise unnachgiebigen (starren)
Kontaktfläche deutlich glatter als ein abrasives Bearbeitungselement, wie
z. B. ein Honstein. Das Reibelement kann z. B. im Bereich der Kontaktfläche
eine Oberflächenrauheit Rz von
weniger als 20 μm oder von weniger als 10 μm und
oder eine mittlere Rautiefe Ra von weniger
als 1 μm oder weniger als 0.1 μm haben. Die Kontaktfläche kann
durch Polieren geglättet sein.
-
Wenn
das Reibelement zumindest im Bereich der für den Kontakt
mit der Innenfläche vorgesehenen Kontaktfläche
aus einem Material besteht, das gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff
nicht-adhäsiv ist, so ist eine besonders störungsfreie
Aufheizung bzw. Eine wirkungsvolle Kaltverfestigung des Werkstückes
ohne nennenswerten Materialabtrag möglich. Ein Reibelement,
beispielsweise eine Reibleiste oder Reibschale, kann zumindest im
Bereich der Kontaktfläche aus einem keramischen Werkstoff
wie Siliziumnitrid, kubischem Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid,
Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder dergleichen bestehen. Insbesondere
Siliziumnitrid (Si3N4)
hat sich für die Bearbeitung von Leichtmetallwerkstoffen
auf Basis von Aluminium als sehr günstig herausgestellt,
da es gegenüber dieser Werkstoffgruppe weitgehend inert
ist und insbesondere durch aluminiumhaltiges Schmelzen nicht oder kaum
benetzt wird. Auch hochtemperaturfeste metallische Werkstoffe, wie
Hartmetalle, Wolfram, Molybdän oder Inconel können
für die Reibelemente bzw. den Bereich der in Kontakt mit
dem Leichtmetallwerkstoff kommenden Kon taktfläche verwendet
werden. Auch Reibelemente, die im Wesentlichen aus Kobalt oder einer
Kobaltlegierung bestehen, sind möglich. Dieses Material
hat sich insbesondere als wenig adhäsiv gegenüber
Aluminiumwerkstoffen herausgestellt. Bei Temperaturen unterhalb
der Graphitisierungstemperatur von Diamant sind auch diamantartige
Werkstoffe wie PKD (Polykristalliner Diamant) oder MKD (Monokristalliner
Diamantwerkstoff) verwendbar, die besonders verschleifest sind.
Auch Reibelemente, die eine oberflächlich glatte DLC (Diamond
Like Carbon) Schicht auf einem z. B. keramischen oder metallischen
Trägerelement aufweisen, sind verwendbar. Oberhalb der
Graphitisierungstemperatur von Diamant kann z. B. kubisches Bornitrid für
die Reibelemente verwendet werden, insbesondere wenn unter besonders
verschleißträchtigen Bedingungen gearbeitet wird.
-
Vorzugsweise
ist eine Möglichkeit zur Innenkühlung des Bearbeitungswerkzeuges
vorgesehen, um die Reibelemente und/oder die Reibleisten tragende
Tragelemente, z. B. Tragleisten, während der Reibverfestigungsoperation
zu kühlen. Hierzu kann das Bearbeitungswerkzeug nicht zu
einem Aufweitsystem gehörende Fluidkanäle zur
Führung von Kühlfluid (normalerweise eine Kühlflüssigkeit)
von einem Kühlmittelbehälter in das Bearbeitungswerkzeug
haben.
-
Das
Bearbeitungswerkzeug sollte aktiv oder passiv expandierbar bzw.
aufweitbar sein, um in rotationssymmetrischen Bohrungen nach der
Einführung einen allseitigen reibungsfördernden
Anpressdruck aufbringen zu können. Eine aktive Aufweitung
kann durch ein geeignetes Zustellsystem erreicht werden. Eine passive
Aufweitbarkeit kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Reibelemente
in Radialrichtung des Bearbeitungswerkzeuges beweglich und ggf.
federnd gelagert sind, so dass sich bei schneller Drehung des Bearbeitungswerkzeuges
durch Fliehkräfte nach radial außen wirkende Kräfte
ergeben, die den Anpressdruck der Reibelemente an der Bohrungsinnenfläche
bestimmen.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Verfahrens
geeignete und entsprechend angepasste Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung einer
Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück. Es
kann sich z. B. um eine speziell konfigurierte Honmaschine oder
um ein speziell konfiguriertes Bearbeitungszentrum oder um eine
speziell konfigurierte Bohrspindel handeln.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Werkstück, welches zumindest
im Bereich einer Bohrung im Wesentlichen aus einem Leichtmetallwerkstoff
besteht, wobei die Bohrung eine im bestimmungsgemäßen
Gebrauch des Werkstückes tribologisch beanspruchte Innenfläche
hat. Das Werkstück hat nach einer Bearbeitung der Innenfläche
und vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch in einer
der Innenfläche nahen Randzone des Werkstückes
eine Reibungsverfestigungsschicht. Das Werkstück kann z.
B. ein Motorblock oder eine Zylinderlaufbüchse für
eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Bohrung mit einer als
Zylinderlauffläche dienenden Innenfläche sein.
-
Vorzugsweise
besteht das Werkstück zumindest im Bereich der Bohrung,
ggf. auch praktisch vollständig, im Wesentlichen aus Aluminium
oder aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer Aluminium-Silizium-Legierung,
z. B. einer untereutektischen oder eutektischen Al-Si-Legierung.
-
Die
vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren
in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen
darstellen können. Ausführungs beispiele der Erfindung
werden in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher
erläutert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine schematische Gesamtansicht einer Honmaschine, die als Bearbeitungsmaschine
zur Durchführung von Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden kann;
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung von Komponenten des Aufweitsystems
der in 1 gezeigten Honmaschine zusammen mit einem modifizierten
Honwerkzeug, das für eine Reibungsverfestigungsoperation
in einem gehonten Werkstück genutzt werden kann;
-
3 zeigt
verschiedene Phasen einer Ausführungsform eines Bearbeitungsverfahrens,
welches eine Reibungsverfestigungsoperation umfasst, bei der ein
oberflächennaher Bereich der Bohrungsinnenfläche
teilweise aufgeschmolzen wird; und
-
4 zeigt
eine Ausführungsform eines Bearbeitungsverfahrens, welches
eine Reibverfestigungsoperation umfasst, bei der im Bereich der Werkstückoberfläche
eine Kaltverfestigungsschicht erzeugt wird (4a),
wobei nachfolgend in einer Honoperation die verfestigte Oberfläche
noch durch Riefen strukturiert wird (4B).
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In 1 ist
schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt,
die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsge mäßer Verfahren
zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken
als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um einerseits in
herkömmlicher Weise eine oder mehrere Honoperationen an
dem Werkstück auszuführen und um andererseits
am gleichen Werkstück auch eine Reibungsverfestigungsoperation
zur Erzeugung einer oberflächennahen Verfestigungsschicht
in einer der Innenfläche nahen Randzone des Werkstückes
zu erzeugen.
-
Auf
dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt,
die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt,
bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine handelt. Der Motorblock besteht praktisch vollständig
aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie z. B. einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
mit einem Si-Anteil von ca. 9 Gew.-%. In dem durch ein Druck-, Sand oder
Niederdruck-Gussverfahren hergestellten monolithischen Motorblock
sind mehrere Zylinderbohrungen mit generell vertikaler Ausrichtung
ihrer Zylinderachsen gebildet. Die durch die Innenflächen
der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden
auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung
unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen,
als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honprozesse
erzeugt wird. Außerdem werden die Zylinderlaufflächen
durch eine reibungsinduzierte Gefügeumwandlung in einer
oberflächennahen Schicht (Reibverfestigungsschicht) gehärtet.
-
Bei
der zweispindligen Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen
Trägerkonstruktion 108 zwei im wesentlichen identisch
aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die
abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung
eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher
erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion
befestigten Spindelkasten 114, der die als Werkzeugspindel
der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt.
Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten
befestigten Spindelmotors 118 um ihre Längsachse
drehen.
-
Der
mit dem Spindelmotor ausgestattete Drehantrieb ist dafür
ausgelegt, Drehzahlen der Werkzeugspindel bis in den Bereich von
10000 min–1 oder darüber
zu erzeugen. Hierzu ist ein spezieller Motor mit einen geeigneten Übersetzungsgetriebe vorgesehen.
-
Am
unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange 120 angebracht,
an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 130 begrenzt
beweglich mechanisch angekoppelt ist. Ein auf dem Spindelkasten 114 montierter
Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel
beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück
bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während
der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb
der Bohrung des Werkstückes eine vertikale Hin- und Herbewegung
ausführt.
-
Die
Honmaschine ist mit einem in 2 schematisch
gezeigten Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig
voneinander betätigbare Zustelleinrichtungen umfasst, die
unterschiedlichen Sätzen von Bearbeitungselementen am Honwerkzeug
zugeordnet sind. Eine hydraulisch betätigbare erste Zustelleinrichtung 150 umfasst
einen Hydraulikzylinder 151, in dem ein beidseitig mit
Hydraulikdruck beaufschlagbarer Kolben sitzt, der an einem Ende
einer Druckstange 152 befestigt ist. Diese lässt
sich dementsprechend durch Steuerung des Hydraulikdrucks innerhalb
des Hydraulikzylinders parallel zu ihrer Längsachse in
beide Richtungen gesteuert bewegen. Die massive Druckstange 152 ist
innerhalb einer hohlen Druckstange 162 koaxial mit dieser
und relativ zu dieser beweglich angeordnet. Die hohle Druckstange
gehört zu einem elektromechanischen zweiten Zustellsystem 160,
dessen Antrieb durch einen elektrischen Schrittmotor 161 gebildet
wird, der über ein geeignetes Getriebe 163 auf
die äußere, hohle Druckstange 162 wirkt,
um diese parallel zur gemeinsamen Achse der Druckstangen auf- und
ab zu bewegen.
-
Das
am unteren, freien Ende der Gelenkstange 120 angekoppelte
Honwerkzeug 130 hat einen zu seiner Werkzeugachse 131 im
wesentlichen rotationssymmetrischen Werkzeugkörper 132,
der an seinem oberen Ende nicht näher gezeigte Kupplungsstrukturen
zur lösbaren Befestigung des Honwerkzeuges an der Gelenkstange
aufweist. Die Kupplungsstrukturen können beispielsweise
so gestaltet sein, dass das Werkzeug nach Art einer Bajonettverbindung
an der Gelenkstange befestigt werden kann.
-
An
dem Werkzeugkörper sind zwei unabhängig voneinander
betätigbare Sätze von Bearbeitungselementen radial
beweglich gelagert. Der erste Satz von Bearbeitungselementen umfasst
drei oder mehr gleichmäßig um den Umfang des Honwerkezeuges
verteilte Honleisten 170, die an der Außenseite
von innerhalb des Werkzeugkörpers radial beweglich geführten
Honleistenträgern 171 befestigt sind. Die Honleistenträger 171 haben
an ihrer Innenseite jeweils am oberen und unteren Endbereich Schrägflächen 173,
die nach Art eines Keilantriebes mit Konusflächen 174 des
ersten Zustellsystems derart zusammenwirken, dass eine Axialbewegung
der inneren Druckstange 152 der ersten Zustelleinrichtung
eine radiale Parallelverschiebung der Honleisten 170 senkrecht
zur Werkzeugachse 131 gegen die nach radial innen wirkende
Zugkraft von Rückholfedern bewirkt.
-
Der
zweite Satz von Bearbeitungselementen, die in Umfangsrichtung zwischen
den Honleisten 170 angeordnet sind, umfasst Reibelemente 180,
die an der radialen Außenseite von Trägerleisten 181 befestigt
sind, welche innerhalb des Werkzeugkörpers gegen die nach
innen wirkende Kraft von Rückstellfedern radial beweglich
geführt sind. Normalerweise sind zwischen zwei und sechs
in Umfangsrichtung versetzte Reibelemente vorgesehen, ggf auch mehr oder
weniger. Die Trägerleisten haben im oberen und unteren
Endbereich nach innen gerichtete Schrägflächen 183,
die mit korrespondierenden Konusflächen 184 der
zweiten Zustellvorrichtung einen Keilantrieb bilden, so dass eine
axiale Bewegung der hohlen Druckstange 162 zu einer Radialbewegung
der zweiten Bearbeitungselemente 180 am Werkzeugkörper führt.
-
Bei
den Reibelementen handelt es sich um nicht-schneidende Reibleisten
aus Siliziumnitrid mit einer relativ glatten, schneidkantenfreien,
zum Reibkontakt mit der Zylinderlauffläche vorgesehenen Kontaktfläche.
Die Kontaktfläche ist zylindrisch gekrümmt, mit
einer der Krümmung der Innenfläche angepassten
Krümmung. Die polierte Kontaktfläche hat eine
Oberflächenrauheit Rz von weniger
als 5 bis 10 μm. Das Siliziumnitrid ist einphasig (im Wesentlichen keine
Bindemittel aus anderem Material), um eine nicht-abrasive Kontaktfläche
zu bilden. Die leistenförmigen Reibelemente sind in Umfangsrichtung
relativ breit (mehr als 5 mm, z. B. 6 bis 8 mm), um einen großflächigen
Gleitreibkontakt mit der Bohrungsinnenfläche zu ermöglichen.
Auch die Tragleisten und ggf. der Aufweitkonus können aus
dem gleichen Material bestehen, wodurch eine gegenüber
herkömmlichen Honwerkzeugen verbesserte Temperaturbeständigkeit
erreicht wird.
-
Die
Honmaschine umfasst weiterhin ein nicht näher dargestelltes
erstes Fluidkanalsystem, das dazu dient, gegen Ende der Reibverfestigungsoperation
eine Kühlflüssigkeit auf die durch Reibungswärme
aufgeheizte und ggf. teilweise aufgeschmolzene Innenfläche
der Bohrung zu leiten. Die Fluidkanäle reichen von einen
Kühlflüssigkeitsbehälter 190 bis
zu Auslassdüsen, die am Bearbeitungswerkzeug in der Nähe
der Reibleisten in Umfangsrichtung zwischen diesen und/oder im Bereich
der Reibleisten nach radial außen münden. Über
das Kühlsystem werden auch die Tragleisten der Reibelemente
von innen gekühlt.
-
Ein
weiteres nicht dargestelltes zweites Fluidkanalsystem führt
von einer Druckluftquelle zu mehreren, am Umfang des Bearbeitungswerkzeuges angebrachten
Blasdüsen. Dieses pneumatische System dient der Trocknung
der Werkstückoberfläche unmittelbar vor der Reibungsverfestigungsoperation.
-
Im
Folgenden wird im Zusammenhang mit 3 eine erste
Ausführungsform eines Verfahrens zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen
bei der Herstellung von Leichtmetall-Motorblöcken aus einer
untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung beschrieben. Diese
Ausführungsform umfasst eine Reibverfestigungsoperation
mit reibungswärmeinduzierter Gefügeumwandlung.
-
Die
Teilfiguren von 3 zeigen jeweils senkrecht zur
Zylinderbohrungsachse verlaufende Schnitte durch das Werkstück 306 im
Bereich von dessen innenzylindrischer Innenfläche 310,
die beim fertig bearbeiteten Motorblock als Zylinderlauffläche und
damit als Reibpartner für die am Kolben getragenen Kolbenringe
dient.
-
Vor
dem Aufspannen des Motorblocks auf die Aufspannplatte der Honmaschine,
d. h. in die für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte
vorgesehene Bearbeitungsposition, werden die Zylinderbohrungen durch
Feindrehen oder vergleichbare spanabhebende Bearbeitung so weit
vorbereitet, dass die gewünschte Endform und Oberflächenstruktur
in den nachfolgenden Schritten des Feinbearbeitungsprozesses durch
Bearbeitung mit der Honmaschine erzielt werden können.
Die Feinbohroperation kann dazu benutzt werden, die gewünschte
Position und Winkellage der Bohrung exakt festzulegen. Die Feinbohroperation
wird mit einem Feinbohrwerkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide
durchgeführt, was der Innenfläche eine charakteristische
Struktur mit spiralförmig umlaufenden Rillen verleiht.
Alternativ zum Feinbohren können auch andere spanende Verfahren
mit starkem Materialabtrag eingesetzt werden, beispielsweise das
Schrupphonen oder eine Leistungsfeinhonbearbeitung gemäß der
EP 1 932 620 A1 .
Sofern die Bohrung bereits die gewünschte Position und
Winkellage hat, kann diese erste Operation des Verfahrens auch entfallen.
-
Typischerweise
schließt sich eine üblicherweise als „Vorhonen” bezeichnete
Honoperation mit relativ grobkörnigen Schneidkörnern
und hoher Zerspanleistung an, um die gewünschte Makroform
der Bohrung weitgehend festzulegen und die aus der Vorbearbeitung
resultierenden Formfehler sowie eventuelle Durchmesserstreuungen
zu verringern. Typische Abträge beim Vorhonen können
beispielsweise zwischen 40 μm und 70 μm bezogen
auf den Durchmesser der Bohrung liegen. Die resultierende vorgehonte
Innenfläche hat dabei typischerweise Rauheiten Rz im Bereich 10 μm und 30 μm.
Die aus dem Vorhonen resultierende Struktur der Innenfläche 310 am
Werkstück 306 ist in der 3A schematisch gezeigt.
-
Zur
Unterstützung dieser grob spanenden Bearbeitungsprozesse
werden normalerweise wasserhaltige Kühlschmierstoffe oder
Honöle eingesetzt, um die bei der spanabhebenden Bearbeitung
entstehenden Bearbeitungsrückstände abzutransportieren sowie
um das Bearbeitungswerkzeug und das damit bearbeitete Werkstück
auf moderate Temperaturen zu kühlen, die in der Regel nicht
wesentlich über 40°C liegen.
-
Zur
Vorbereitung der nachfolgenden Reibverfestigungsoperation, die anhand
von 3B näher erläutert
wird, wird die mit Resten von Kühlschmierstoff benetzte
vorgehonte Oberfläche zunächst in einem Trocknungsschritt
getrocknet, d. h. von flüssigen Kühlschmierstoffrückständen
befreit. Hierzu wird mit Hilfe einer oder mehrerer Druckluftdüsen 320 Druckluft
auf die vorgehonte Oberfläche 310 geblasen. Das
Vorhonwerkzeug kann hierzu ein Fluidkanalsystem enthalten, dessen
Kanäle in Druckluftdüsen münden, die
auf die Innenfläche der bearbeiteten Boh rung gerichtet
sind. Die Fluidkanäle sind an das Pneumatiksystem der Honmaschine
angeschlossen. Nach dem Trocknungsschritt ist die vorgehonte Innenfläche
weitestgehend trocken und frei von Bearbeitungsrückständen
vorgehender Bearbeitungsstufen.
-
Die
nächste Bearbeitungsoperation, nämlich die Reibungsverfestigungsoperation,
wird mit Hilfe eines modifizierten Honwerkzeuges 130 mit
zweifacher Aufweitung durchgeführt, an dessen Umfang sich
mehrere Reibelemente 180 befinden, die an der radialen
Außenseite von Trägerleisten befestigt sind, welche
innerhalb des Werkzeugkörpers des Honwerkzeuges in Radialrichtung
zustellbar sind (vgl. 2). Die Reibelemente bestehen
im Bereich der der Innenflächen 310 zugewandten
Kontaktfläche 181 aus Siliziumnitrid und bilden
eine weitgehend glatte, nicht spanabhebend wirkende, d. h. nicht-abrasive
Kontaktfläche zur Oberfläche des Leichtmetallwerkstoffes.
Nachdem die Reibelemente durch Expandieren (Durchmesservergrößerung)
des Bearbeitungswerkzeuges in Kontakt mit der Innenfläche gebracht
wurden, wird der Drehantrieb der Honmaschine auf Drehzahlen deutlich über
500 min–1 beschleunigt, wobei die
Drehzahlen häufig im Bereich zwischen 5000 min–1 und
10000 min–1 oder auch darüber
liegen können. Dadurch werden die Reibelemente mit sehr
hoher Relativgeschwindigkeit gegenüber der Innenfläche
der Bohrung bewegt und gleiten auf dieser unter einem vorgegebenen
Anpressdruck ab. Hierdurch entsteht im Kontaktbereich zwischen Werkstückoberfläche
und Reibelement in erheblichem Ausmaß Reibungswärme,
die sich in einer oberflächennahen Zone bzw. Schicht des
thermisch gut leitenden Werkstoffes ausbreitet und diese Zone aufheizt.
Einer gleichzeitigen Aufheizung des Werkzeugkörpers wird
durch die Innenkühlung der Tragleisten entgegengewirkt.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird die untereutektische
Aluminium-Silizium-Legierung durch die Reibungswärme in
der oberflächennahen Zone über die zugehörige
Schmelztemperatur TS (z. B. auf 600°C
bis 650°C) aufgeheizt, so dass der Werkstoff in einer oberflächennahen Zone
teil weise aufschmilzt und eine Schmelzschicht 312 bildet.
Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen und des relativ geringen aufzuschmelzenden
Volumens sind für die Reibverfestigungsoperation nur sehr
geringe Bearbeitungszeiten erforderlich, die typischerweise im Bereich
von weniger als 5 s liegen.
-
Die
Dicke der Schmelzschicht ist stark von der Verfahrensführung
abhängig und liegt typischerweise bei einigen μm
(z. B. zwischen 10 μm und 100 μm), ggf auch darüber.
-
Sobald
der oberflächennahe Bereich des Werkstückes die
Schmelztemperatur überschritten hat, was gegebenenfalls
durch einen Temperatursensor überwacht werden kann, werden
die Reibelemente druckentlastet und zurückgezogen. Gleichzeitig
wird die Drehgeschwindigkeit der Arbeitsspindel wieder reduziert.
Dadurch wird die „Wärmequelle” für das
oberflächennahe Aufschmelzen quasi „ausgeschaltet”,
so dass die teilweise aufgeschmolzene oberflächennahe Schicht
wieder erstarrt. Das Erstarren kann durch eine aktive Kühlung
des gesamten Werkstückes unterstützt werden, wobei
dann die Wärmeabfuhr überwiegend in das Innere
des Werkstückes erfolgt.
-
Wenn
eine schnellere Abkühlung gewünscht ist, kann
dies dadurch erreicht werden, dass in der Endphase der Reibverfestigungsoperation
die Innenfläche der aufgeheizten Bohrung mit Hilfe eines
Kühlfluides besprüht oder bestrahlt wird. Bei
dem anhand der 3C erläuterten
Ausführungsbeispiel hat das Bearbeitungswerkzeug ein Fluidkanalsystem,
dessen Fluidkanäle an der Außenseite des Bearbeitungswerkzeuges
in Kühldüsen 330 münden, die
auf die Werkstückoberfläche gerichtet sind. Maschinenseitig
ist das Fluidkanalsystem an einen Kühlmitteltank 190 angeschlossen.
-
Durch
die Reibverfestigungsoperation wird im Bereich der Innenfläche
der Bohrung eine oberflächennahe Schicht 350 erzeugt,
deren Gefüge sich deutlich vom Gefüge des darunter
liegenden Gusswerkstoffes unterscheidet. Abhängig von dem
während der Reibverfestigungsoperation erzeugten Temperatur-Zeit-Profils
können in der oberflächennahen Schicht beispielsweise
wesentlich höhere Druckeigenspannungen vorliegen als im
darunter liegenden, durch einen Gussprozess erzeugten Material.
Hierdurch hat die oberflächennahe Schicht eine gegenüber
dem Volumenmaterial erhöhte mechanische Festigkeit. Außerdem
wird durch die Reibverfestigungsoperation eine Steigerung der Härte
des Materials und damit eine erhöhte Verschleißfestigkeit
erzielt. Die mit Hilfe des Reibverfestigens erzeugten Oberflächenwerkstoffe
sind für starke tribologische Beanspruchungen bestens geeignet.
Durch Variation Verfahrensverführung bei der Reibverfestigungsoperation
können zudem unterschiedliche Eigenschaften der oberflächennahen
Schicht 350 hinsichtlich Druckeigenspannungen, Härte,
Gefügestruktur etc. erzielt werden.
-
Die
Reibverfestigungsoperation kann die letzte Bearbeitungsoperation
des Feinbearbeitungsverfahrens sein, so dass die durch die Reibverfestigungsoperation
erzeugte, nicht nachbearbeitete Werkstückoberfläche
direkt als Reibpartner für Kolbenringe im bestimmungsgemäßen
Gebrauch des Motors dient. Häufig ist es jedoch günstig,
wenn sich an die Reibungsverfestigungsoperation noch eine Nachbearbeitung
zur Erzeugung einer funktionellen Oberflächenstruktur und/oder
eine Bearbeitung zur Veränderung der Formgebung anschließt.
Bei der anhand von 3 erläuterten Ausführungsform
wird im Anschluss an die Reibungsverfestigungsoperation noch eine
Honoperation durchgeführt, um der freien Oberfläche
des oberflächlich gehärteten Werkstoffes eine
Kreuzschliffstruktur zur Verbesserung der Ölhaltigkeit
zu verleihen (3B). Hierzu werden bei
dem Werkzeug 130 nach Rückzug der Reibelemente 180 die
Honleisten 170 nach radial außen zugestellt, um die
Innenfläche durch Honen fertig zu bearbeiten. Dabei entstehen
in der erstarrten Schicht Honriefen 311 mit typischen mittlere
Tiefen von einigen Mikrometern.
-
Anhand
von 4 wird eine zweite Ausführungsform eines
Verfahrens mit Reibverfestigungsoperation beschrieben, mit dem ein
Werkstück 406 aus einer eutektischen Aluminium-Siliziumlegierung (ca.
12,5 Gew.-% Si) im Bereich einer zylindrischen Bohrung bearbeitet
wird. Die Vorbearbeitung der Bohrung incl. Feindrehen und Vorhonen
und Trocknen kann so erfolgen wie im Zusammenhang mit 3A beschrieben.
-
Bei
dieser Verfahrensvariante sind die Bearbeitungsparameter der Reibverfestigungsoperation so
gewählt, dass es in der an die Innenfläche 410 angrenzenden,
oberflächennahen Schicht 450 bei relativ niedrigen
Temperaturen zu einer plastischen Umformung des Gefüges
des Leichtmetallwerkstoffes kommt, welche zu einer Festigkeitssteigerung
mittels Kaltverfestigung führt. Hierzu werden die Reibelemente 180 aus
bindemittelfreiem (einphasigen) Siliziumnitrid mit einem relativ
starken Anpressdruck an die Innenfläche angedrückt.
Die zum Kontakt mit der Innenfläche vorgesehene, glatt
polierte, unnachgiebige (starre) Kontaktfläche 181 hat
eine der zylindrischen Krümmung der Bohrung angepasste
konvex-zylindrische Krümmung, um einen großflächigen Anpresskontakt
zur Innenfläche sicherzustellen. Es wird eine Arbeitsbewegung
mit mehrfacher Bewegungsrichtungsumkehr erzeugt. Hierzu kann der Drehantrieb
so angesteuert werden, dass sich die Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeuges
während der Dauer der Reibverfestigungsoperation mehrfach ändert,
so dass das Bearbeitungswerkzeug in der Bohrung hin und her gedreht
wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine axial oszillierende
Arbeitsbewegung vorgesehen sein. Günstig für die
Erzeugung einer Kaltverfestigungsschicht ist die mechanische Wechselbeanspruchung
der oberflächennahen Schicht durch die großflächig
angedrückten Reibelemente. Hierdurch werden im polykristallinen
Leichtmetall werkstoff direkt unterhalb der Innenfläche 410 Versetzungsbewegungen
induziert und es können ganze Kristallbereiche auf Gleitebenen
abgleiten. An den Korngrenzen des relativ weichen Werkstoffes kann
es zu einem Aufstau von Versetzungen und zum gegenseitigen Blockieren
von weiteren Versetzungsbewegungen kommen, wodurch eine Verfestigung
des Leichtmetallwerkstoffs bei gleichzeitiger Reduzierung der Duktilität
erzielt wird. In 4A, B sind einige
durch die mechanische Wechselbeanspruchung induzierte Kristallbaufehler 451 schematisch
dargestellt, deren Dichte innerhalb der Kaltverfestigungsschicht 450 deutlich
höher ist als im darunterliegenden, chemisch identischen
Volumenmaterial 452. Auf diese Weise kann ein monolithisches
Werkstück hergestellt werden, das im Bereich der Bohrungsinnenfläche 410 eine
wesentlich höhere Festigkeit hat als tiefer im Volumen
des Materials.
-
An
die Reibverfestigungsoperation schließt sich bei dieser
Verfahrensvariante noch eine Honoperation an, durch die an der Oberfläche
durch mechanisch spanabhebende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmten
Schneiden Honriefen 411 erzeugt werden, deren mittlere
Tiefe im Beispielsfall etwa der Schichtdicke der Kaltverfestigungsschicht 450 entspricht
(einige μm Tiefe).
-
Bei
einer anderen Verfahrensvariante wird die Reihenfolge von Reibverfestigungsoperation
und Strukturierungsoperation umgekehrt. Zunächst wird eine
Strukturierungsoperation (z. B. Honen oder Laserstrukturieren) durchgeführt,
um eine definierte Oberflächenstruktur mit vertieften Bearbeitungsriefen an
der Innenfläche des Werkstückes zu erzeugen. Danach
wird die strukturierte Oberfläche in einer Reibverfestigungsoperation
kaltverfestigt. Dabei werden einige der an der Oberfläche
vorhandenen Profilspitzen des Werkstückes plattgedrückt
bzw. umgebogen, die tieferen Riefen aber verbleiben und werden allenfalls
etwas zusammengedrückt. Hierdurch entsteht ein oberflächlich
verfestigter Werkstoff mit besonders hohem Traganteil der strukturierten
Oberfläche.
-
Je
nach Wirktiefe der Reibverfestigungsoperation und Materialabtrag
beim nachfolgenden oder vorhergehenden Strukturieren kann die mittlere
Tiefe der Bearbeitungsspuren kleiner oder großer sein als die
Schichtdicke der Reibungsverfestigungsschicht oder etwa dieser Schichtdicke
entsprechen.
-
Insbesondere
bei Werkstücken aus einer untereutektischen oder eutektischen
Al-Si-Legierung hat es sich als günstig herausgestellt,
wenn bei der Honbearbeitung der zylindrischen Innenfläche
Honspuren erzeugt werden, die gegenüber der Axialrichtung
nur relativ kleine Winkel bis beispielsweise max. 30° oder
max. 40° einschließen. Dadurch kann erreicht werden,
dass die in das immer noch relativ weiche Grundmaterial eingebrachten
Honriefen beim Gebrauch als Gleitfläche für Kolbenringe
nicht zusammengedrückt und teilweise zugeschmiert werden.
Um die sich überwiegend in Axialrichtung erstreckenden
Honspuren zu erzeugen, kann z. B. bei der Bearbeitung mittels Honen
ein Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente
und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente des Bearbeitungswerkzeuges
zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt werden, so dass sich die für
das „Spiralgleithonen” typischen Honspur-Geometrien
ergeben, worin Honspuren relativ große Honwinkel von beispielsweise
mehr als 120° und weniger als 170° (entsprechend
Winkel zur Axialrichtung zwischen 30° und 5°)
einschließen. Spiralgleithon-Verfahren werden beispielsweise
in der
DE 196 07 774
B4 beschrieben.
-
Die
schematische runde Einsatzfigur in 4B zeigt
eine Draufsicht auf die Innenfläche 411, die eine
Kreuzschliffstruktur hat, bei der die Honspuren 411 einen
Honwinkel HW von ca. 140° einschließen, was einem
Winkel WA zur Axialrichtung AX der Bohrung von ca. 20° entspricht.
-
Bearbeitungsspuren
nach Art von Honriefen können auch durch Laserstrukturierung
mittels fokussiertem und geeignet angesteuertem Laserstrahl erzielt
werden.
-
Beide
Verfahrensvarianten, d. h. sowohl die anhand von 3 beispielhaft
erläuterte thermische Gefügeumwandlung (ggf. mit
Aufschmelzen) als auch die anhand von 4 beispielhaft
erläuterte oberflächennahe Kaltverfestigung führen
zu Werkstücken, die im Bereich der bearbeiteten Oberfläche wesentlich
härter und fester sind als im darunterliegenden Volumenwerkstoff,
ohne das hierfür eine Beschichtung oder eine gesondertes
Element aus einem anderen Material aufgebracht werden muss. Dadurch
ist es insbesondere möglich, untereutektische Aluminium-Sillizium-Legierungen,
d. h. Al-Si-Legierungen mit einem Si-Gehalt von weniger als 12,5
Gew.-%, oder eutektische oder nahe-eutektische Aluminium-Sillizium-Legierungen,
in monolithischen Werkstücken zu nutzen, ohne dass sich
die spezifischen Nachteile dieser Volumenmaterialien nachteilig
auf die tribologischen Eigenschaften der Innenfläche auswirken.
-
Bei
Motorblöcken aus einer untereutektischen Al-Si-Legierung
kann z. B. durch eine Reibverfestigungsoperation, die zu einer innenflächennahen Kaltverfestigungsschicht
führt, die Neigung zum Fressen mit dem Reibpartner Kolbenring
erheblich reduziert werden. Dadurch lassen sich vor allem die Kaltstarteigenschaften
dieser Motoren verbessern und die Gefahr von Kolbenfressern in der
Einlaufphase wird signifikant reduziert.
-
Wenn
eine oberflächennahe Partikelverstärkung für
das bearbeitete Werkstück gewünscht ist, können
die oben beschriebenen Verfahrensvarianten dadurch modifiziert werden,
dass vor und/oder während der Reibverfestigungsoperation
feine faserige und/oder körnige Feststoffpartikel in Form
eines geeigneten Pulvers odgl. in die Bearbeitungszone eingebracht
werden und bei der Reibverfestigungsoperation in die ober flächennahe
Schicht eingebaut werden. Typische mittlere Partikelgrößen
können z. B. unterhalb 100 μm liegen. In den durch
lokales Aufschmelzen erzeugten Reibverfestigungsschichten finden
sich die Verstärkungspartikel typischerweise relativ gleichmäßig
in der gesamten Schicht verteilt, während die Verstärkungspartikel
in kaltverfestigten Oberflächenschichten nur in unmittelbarer
Nähe der Innenfläche zu finden sind und teilweise
offen liegen, weil sie mittels der Reibelemente lediglich mechanisch
in die relativ weiche Leichtmetallmatrix hineingedrückt
werden.
-
Bei
der Bearbeitungsmaschine kann es sich um eine weitgehend konventionell
aufgebaute Honmaschine handeln, deren Drehantrieb ggf. modifiziert sein
kann, um die für das Aufschmelzen günstigen hohen
Drehzahlen erzeugen zu können. Gesonderte Fluidkanalsysteme
für Kühlfluid zum Kühlen bzw. Abschrecken
der Werkstückoberfläche und für eine pneumatische
Trocknung der Innenfläche vor der Reibverfestigungsoperation
können vorgesehen sein. Auch konventionelle oder ggf. modifizierte
Bearbeitungszentren können als Bearbeitungsmaschinen genutzt
werden, insbesondere wenn sie dafür ausgelegt sind, mit
aufweitbaren Bearbeitungswerkzeugen zu arbeiten.
-
Anstelle
des klassischen Honens kann nach der Reibverfestigungsoperation
auch eine andere Endbearbeitungsoperation zur Erzeugung definierter Oberflächeneigenschaften
des Werkstückes durchgeführt werden, beispielsweise
eine Oberflächenstrukturierung der Oberfläche
mit Hilfe von Laserstrahlung, um beispielsweise das Gefüge
der kurzzeitig aufgeschmolzenen und danach wieder erstarrten Oberflächeschicht 350 zumindest
im Bereich der freien Oberfläche noch zu verändern.
-
Einige
vorteilhafte Varianten der Erfindung wurden anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert, die aus dem Bereich der Feinbearbeitung von
Innenflächen an Motorblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) aus
Aluminium- basierten Leichtmetallwerkstoffen stammen. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf die Feinbearbeitung solcher Werkstücke
beschränkt. So können nicht nur Teile für
Verbrennungsmotoren oder Kompressoren mit dem Verfahren bearbeitet
worden, sondern auch die Innenflächen von Rohren, die beispielsweise
zur Extrusion verwendet werden können. Lagerflächen
in Pleueln, Kolbenbohrungen oder dergleichen können ebenfalls
bearbeitet werden.
-
Eine
Reibverfestigungsoperation kann bei geeigneter Modifikation konventioneller
Außenbearbeitungsverfahren auch bei der Bearbeitung von Werkstückaußenflächen
vorgesehen sein, um z. B. konvex-zylindrische Lagerflächen
an Kolbenbolzen oder anderen Werkstücken oberflächlich
zu festigen.
-
Zu
den mit Hilfe des Verfahrens bearbeitbaren Leichtmetallwerkstoffen
gehören vor allem Magnesium und Aluminium sowie Legierungen
auf Basis von Aluminium oder auf Basis von Magnesium, wobei die
Zusammensetzung der Legierungsbestandteile jeweils so sein kann,
dass eine Legierung untereutektisch, eutektisch oder übereutektisch
ist. Es können auch die Innenflächen von Werkstücken
aus sprühkompaktierten, übereutektischen Al-Si-Werkstoffen
bearbeitet werden. Diese extrem feinkörnigen und relativ
festen Werkstoffe werden z. B. zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen
verwendet.
-
Die
Leichtmetallwerkstoffe können frei von Hartstoffphasen
sein, sie können jedoch auch durch eingeschlossene Hartstoffphasen
verstärkt sein, wobei die Hartstoffphasen partikelförmig
und/oder faserförmig sein können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0818271
B1 [0004]
- - DE 102006005193 A1 [0005]
- - EP 1433552 A1 [0007]
- - EP 1932620 A1 [0069]
- - DE 19607774 B4 [0084]