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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von ebenen Oberflächen von Leichtmetallgussteilen sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Typische Leichtmetallgussteile bestehen aus Aluminium-Guss mit der Bezeichnung EN AC-43000 AlSi10Mg(a). Hierbei handelt es sich um eine gerade im Automobilbereich vielfach verwendete Leichtmetallgusslegierung. Problematisch bei Gussteilen aus einer solchen Legierung ist, dass durch eine spanende Bearbeitung Lunker im Leichtmetallgussteil freigelegt werden. Diese Lunker beeinträchtigen dann die Dichtwirkung einer auf die Oberfläche aufgelegten Dichtung. Auch wenn zwei Bauteile unmittelbar ohne Dichtung montiert werden, können die freigelegten Lunker eine Dichtwirkung beeinträchtigen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 27 56 878 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenbohrungen. Es ist ein Rollprägeglätt-Verfahren zur Bearbeitung zylindrischer Bohrungen beschrieben, welches das Material des Zylinders bis zu einer Tiefe von 0,5 mm verdichtet. Anschließend wird die Bohrung geräumt, sodass ca. 0,25 mm verdichteten Materials verbleiben.
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Die Patentschrift
DE 887 921 B beschreibt eine Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von vorbearbeiteten Werkstückoberflächen. Ein stangenförmiges Werkzeug zum Rollpolieren umfasst ein Außenrohr, in welchem eine Spiralfeder eine Gabel federbeaufschlagt. In der Gabel ist einen Rolle mit einer Rille eingelassen, die einen Käfig bildet, in welchen Kugeln gegen die Rolle und das zu bearbeitende Werkstück abrollen.
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Die Patentschrift
GB 1 119 927 A beschreibt ein Endbearbeitungswerkzeug für zylindrische Bohrungen. An einem stangenförmigen Werkzeug ist ein Werkzeugkopf angeordnet, der in einer radialen Richtung zwei Kugeln trägt. Die Kugeln werden von Federn im Inneren des Werkzeugkopfes federbeaufschlagt.
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Die Übersetzung
DE 698 23 069 T2 beschreibt ein stangenförmiges Werkzeug zum Einbringen von Druckspannungen in ein Werkstück. An einer Stirnfläche des Werkzeugs ist eine Kugel eingelassen, die von einer Rückhaltekante im Werkzeug gehalten wird. Entlang der Rückhaltekante sind Kanäle angearbeitet, welche einer Kühlschmiermittelbereitstellung dienen.
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Mit der Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von ebenen Oberflächen von Leichtmetallgussteilen verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zur Bearbeitung von ebenen Oberflächen von Leichtmetallgussteilen mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch durch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung von ebenen Oberflächen von Leichtmetallgussteilen sind die Schritte des Herstellens einer ebenen Oberfläche mit einem Übermaß von 0,05 bis 0,5mm, insbesondere 0,1mm, des Verdichtens der Oberfläche mittels Abrollen wenigstens einer Kugel auf der ebenen Oberfläche, sodass mit der wenigstens einen Kugel die gesamte zu bearbeitende ebene Oberfläche überstrichen wird und des Bewegens der Kugel auf einem Pfad, der durch Überlagern einer Kreisbahn und einer linearen Bewegung entsteht, und des nachfolgenden Glättens der ebenen Oberfläche mittels spanender Bearbeitung und spanendes Bearbeiten der ebenen Oberfläche auf das vorgesehene Endmaß vorgesehen.
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Indem zunächst die Oberfläche eines zu bearbeitenden Leichtmetallgussteils verdichtet wird, können Lunker innerhalb des Leichtmetallgussteils aufgefüllt bzw. durch Abrollen wenigstens einer Kugel verschmiert werden. Dadurch ergibt sich eine Verdichtung der Oberfläche, so dass an der Oberfläche sowie in einem dünnen, sich unmittelbar an die Oberfläche anschließenden Bereich keine Lunker, sondern kompaktes Leichtmetallgussmaterial vorhanden ist. Bei einer solchen Oberflächenverdichtung mittels Abrollen wenigstens einer Kugel erfolgt zwangsläufig eine Deformierung der Oberfläche. Durch das nachfolgende Glätten der Oberfläche mittels spanender Bearbeitung kann dann ein exaktes Maß der Oberfläche hergestellt werden. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass beliebige Oberflächen, insbesondere ebene Oberflächen, bearbeitet werden können. Durch das Abrollen der Kugel erfolgt die Oberflächenverdichtung, wobei die Kugel prinzipiell auf beliebigen Oberflächen und insbesondere auf ebenen Oberflächen abgerollt werden kann. Das nachfolgende Glätten der Oberfläche mittels spanender Bearbeitung stellt dann eine glatte, durchgehende Oberfläche ohne Lunker her. Im Unterschied zu dem bekannten Bearbeitungsvorgang des Rollierens erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Glättung einer Oberfläche, sondern eine Verdichtung einer Oberfläche. Die Verdichtung erfolgt, ebenfalls im Unterschied zum Rollieren, in einer Weise, dass keine Endbearbeitung stattfindet. Vielmehr muss die nach dem Verdichten entstandene Oberfläche noch geglättet werden, um verwendet werden zu können. Gerade bei Leichtmetallgussteilen bietet das erfindungsgemäße Verfahren aber erhebliche Vorteile, da glatte, ebene Oberflächen ohne Lunker hergestellt werden können. Auf diese Weise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lunkerfreie Oberflächen an Leichtmetallgussteilen mit einem exakten Endmaß herstellen.
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Auf diese Weise lassen sich speziell ebene Flächen mit beliebiger Ausdehnung bearbeiten.
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In Weiterbildung der Erfindung wird die Kugel gegen die Oberfläche mit einer Kraft vorgespannt, so dass sich beim Abrollen der Kugel rinnenförmige Bahnen in der Oberfläche ergeben.
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Durch Vorspannen der Kugel wird eine so hohe Kraft beim Abrollen der Kugel auf die Oberfläche ausgeübt, dass das Material an der Oberfläche verdrängt und Lunker aufgefüllt oder zusammengedrückt werden und speziell eine Verdichtung der Oberfläche sowie des sich unmittelbar an die Oberfläche anschließenden Bereiches erfolgt. Nach dem Abrollen der Kugel weist die bearbeitete Oberfläche rinnenförmige Bahnen auf. Die abrollende Kugel ist dabei ein Stück weit in die bearbeitete Oberfläche eingedrungen und hat dadurch eine Materialverdichtung bewirkt. Diese entstandenen rinnenförmigen Bahnen müssen nachfolgend durch eine spanende Bearbeitung wieder geglättet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Vorspannen jeder Kugel gegen die Oberfläche mit einer Kraft zwischen 100 N und 200 N, insbesondere 150 N.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Vorspannkraft der Kugel gute Ergebnisse verursacht, insbesondere dann, wenn Gussteile aus dem Aluminium-Gussmaterial EN AC-43000 AISi10Mg(a) verarbeitet werden. Dieses Material hat eine Härte nach Brinell von HB 55 bis 60.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Verwenden einer Kugel mit einem Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm, insbesondere 8 mm, vorgesehen.
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Kugeln mit einem solchen Durchmesser können genügend hohe Drücke auf die zu bearbeitende Oberfläche aufbringen, um eine Verdichtung der Oberfläche zu bewirken. Auf der anderen Seite sind rinnenförmige Bahnen in der Oberfläche, die durch die Kugeln entstehen, bei einem Durchmesser der Kugeln zwischen 5 mm und 10 mm noch so flach ausgebildet, dass sie durch eine nachfolgende spanende Bearbeitung geglättet werden können und dennoch die endbearbeitete Oberfläche noch innerhalb des verdichteten Oberflächenbereichs liegt.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Bewegen der Kugel beim Abrollen auf einer Kreisbahn mit 300 Umdrehungen pro Minute bis 700 Umdrehungen pro Minute.
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Beispielsweise erfolgt das Bewegen der Kugel beim Abrollen mittels einer CNC-Bearbeitungsmaschine. Ein sich drehender Werkzeugkopf mit der wenigstens einen Kugel wird linear über eine zu bearbeitende, ebene Oberfläche bewegt, so dass die wenigstens eine Kugel sich dreht und entlang einem Pfad abrollt, der sich aus der Überlagerung einer Kreisbahn und einer linearen Bewegung ergibt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das spanende Bearbeiten der Oberfläche mittels eines polykristallinen Diamanten (PKD) vorgesehen.
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Auf diese Weise lassen sich hochpräzise Bearbeitungen mit extrem hoher Standzeit des verwendeten Werkzeugs durchführen. Polykristalline Diamantwerkzeuge schneiden gerade bei Leichtmetallgussoberflächen die in dem Leichtmetallgussmaterial zwangsläufig vorhandenen Lunker an. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst die Oberfläche mit den Lunkern verdichtet, so dass die Lunker aufgefüllt oder zusammengedrückt werden. Durch Nachbearbeitung mit einem polykristallinen Diamantwerkzeug kann dann eine geglättete, endbearbeitete Oberfläche ohne Lunker bereitgestellt werden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der wenigstens eine Kugel drehbar in einem Werkzeugkopf gelagert ist und gegen eine zu bearbeitende Oberfläche vorgespannt werden kann, und dass mehrere Kugeln vorgesehen sind, die aus einer ebenen Vorderfläche des Werkzeugkopfes herausragen.
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Beispielsweise ist die wenigstens eine Kugel mittels einer Feder vorgespannt und ragt geringfügig über eine Vorderseite des Werkzeugkopfes heraus. Wird der Werkzeugkopf mit der Kugel dann gegen eine zu bearbeitende Oberfläche gedrückt, federt die Kugel geringfügig ein und wird mit der Kraft der Feder gegen die zu bearbeitende Oberfläche vorgespannt.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Kugel einen Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm, insbesondere 8 mm, auf und die Feder hat eine Federrate zwischen 20 N/mm und 30 N/mm.
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Entscheidend für die mittels der Kugel auf die zu bearbeitende Oberfläche ausgeübte Kraft ist dabei eine Vorspannung der Feder. Diese Vorspannung der Feder addiert sich zu der Kraft, die durch das Eindrücken der Feder beim Aufsetzen der Kugel auf die zu bearbeitende Oberfläche erzeugt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung besteht die Kugel aus Hartmetall.
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Auf diese Weise lassen sich sehr gute Ergebnisse beim Verdichten der Oberfläche und auch sehr gute Standzeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zur Bearbeitung mittels eines polykristallinen Diamanten (PKD) vorgesehen. Polykristalline Diamantwerkzeuge lassen eine hochpräzise Bearbeitung bei sehr guten Standzeiten zu.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Werkzeugkopf auf, wobei in dem Werkzeugkopf 8 bis 16 Kugeln, insbesondere 12 Kugeln, kreisförmig und gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Auf diese Weise lassen sich auch große Oberflächen bei vergleichsweise geringer Bearbeitungszeit vollständig überstreichen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind in der Vorderfläche des Werkzeugkopfes, aus dem die drehbar gelagerten Kugeln herausragen, Auslassöffnungen für Kühlflüssigkeit angeordnet.
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Auf diese Weise können die Kugeln und die bearbeitete Oberfläche fortlaufend gekühlt und geschmiert werden.
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Zweckmäßigerweise wird zur Kühlung eine Flüssigkeit verwendet, die gleichzeitig Schmierstoffeigenschaften hat.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Auslassöffnungen auf einer gedachten Kreislinie beabstandet voneinander angeordnet, wobei auf derselben Kreislinie wenigstens eine drehbar gelagerte Kugel angeordnet ist.
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Auf diese Weise kann die Kühlflüssigkeit, die auch Schmierstoffeigenschaften aufweist, bei einer Drehung des Werkzeugkopfes unmittelbar zu den Kugeln transportiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und den Zeichnungen im Zusammenhang mit der Beschreibung. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einen Werkzeugkopf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht des Werkzeugkopfs der 1.
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Die Darstellung der 1 zeigt eine Vorderansicht eines Werkzeugkopfes 10 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bearbeitung von ebenen Oberflächen von Leichtmetallgussteilen. Der Werkzeugkopf 10 weist eine Deckplatte 12 auf, die mit insgesamt 12 Befestigungsschrauben 14 an einem in 1 nicht sichtbaren Grundkörper des Werkzeugkopfes 10 gehalten wird. Die Deckplatte 12 weist insgesamt 12 Durchgangsöffnungen 16 auf, durch die hindurch drehbar in dem Werkzeugkopf 10 gelagerte Kugeln 18 zu erkennen sind. Die Kugeln 18 sind dabei lediglich abschnittsweise zu erkennen, da die Durchgangsöffnungen 16 kleiner sind als der maximale Durchmesser der Kugeln 18. Der Durchmesser der Durchgangsöffnungen 16 ist so bemessen, dass die Kugeln 18 ein Stück weit über die Oberfläche der Deckplatte 12 vorragen, siehe auch 2, aber dennoch nicht durch die Öffnungen 16 hindurch aus dem Werkzeugkopf 12 austreten können.
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Die Öffnungen 16 sind gleichmäßig voneinander beabstandet auf einer gemeinsamen Kreislinie auf der Deckplatte 12 des Werkzeugkopfes 10 angeordnet. Die Deckplatte 12 ist ebenfalls kreisförmig.
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Auf derselben Kreislinie, auf der die Öffnungen 16 angeordnet sind, sind auch insgesamt vier Auslassöffnungen 20 für eine Kühlschmierflüssigkeit vorgesehen. Die 4 Auslassöffnungen 20 sind ebenfalls gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet. Im Betrieb dreht sich der Werkzeugkopf 12 um seine Mittelachse 22 mit einer Drehzahl zwischen 300 Umdrehungen pro Minute und 700 Umdrehungen pro Minute. Gleichzeitig wird der Werkzeugkopf 10 linear bewegt. Aus den Auslassöffnungen 20 austretende Kühlschmierflüssigkeit wird dadurch zunächst auf die bearbeitete Oberfläche gedrückt und schmiert und kühlt dann die Oberfläche und die auf der Oberfläche abrollenden Kugeln 18.
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In der Darstellung der 2 ist der Werkzeugkopf 10 in einer Seitenansicht in schematischer Weise und teilweise geschnitten dargestellt. Der Werkzeugkopf 10 weist einen Schaft 24 auf, der in einer Spindel einer Bearbeitungsmaschine eingespannt wird. Der Schaft 24 weist einen Kanal 26 auf, durch den Kühlschmierflüssigkeit durch den Werkzeugkopf 10 hindurch bis zu den Auslassöffnungen 20 gelangen kann.
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An den Schaft 24 schließt sich ein Grundkörper 28 des Werkzeugkopfes an. Der Grundkörper 28 weist einen größeren Durchmesser als der Schaft 24 auf. Auf dem Grundkörper 28 ist mittels der Schrauben 14 die Deckplatte 12 befestigt. Die Deckplatte 12 weist denselben Durchmesser auf wie der Grundkörper 28.
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Im Grundkörper 28 sind insgesamt 12 Aufnahmebohrungen 30 für Druckfedern 32 vorgesehen. Ebenfalls ist in jeder Aufnahmebohrung 30 ein Gleitstück 34 angeordnet, das einerseits von der Feder 32 beaufschlagt wird und andererseits an der Kugel 18 anliegt. Das Gleitstück 34 drückt aufgrund der Wirkung der Feder 32 die Kugel 18 gegen die Berandung der Öffnung 16 in der Deckplatte 12. Da der Durchmesser der Öffnung 16 kleiner ist als der größte Durchmesser der Kugel 18, kann die Kugel 18 nicht aus der Öffnung 16 austreten. Das Gleitstück 34 besteht beispielsweise aus selbstschmierendem Material, beispielsweise Messing oder Rotguss. Die Kugel 18 kann aus Hartmetall gefertigt sein, speziell Vollhartmetall der Sorte K20. Wird der über die Deckplatte 12 hinausragende Abschnitt der Kugel 18 auf eine Oberfläche aufgelegt und wird der Werkzeugkopf 10 dann in Drehung versetzt, kann die Kugel 18 auf der bearbeiteten Oberfläche abrollen, gegebenenfalls auf der Oberfläche entlang gleiten.
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Zur Bearbeitung einer Oberfläche von Leichtmetallgussteilen wird der Werkzeugkopf 10 zunächst so auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgesetzt, dass die Kugeln 18 die zu bearbeitende Oberfläche berühren. Daraufhin wird der Werkzeugkopf 10 noch um einen geringfügigen Betrag, beispielsweise 0,1 bis 0,3 mm, insbesondere 0,2 mm, gegen die zu bearbeitende Oberfläche verfahren. Dadurch liegen die Kugeln 18 mit dem durch die Feder 32 aufgebrachten Druck auf der zu bearbeitenden Oberfläche auf. Beispielsweise beträgt eine von der Feder 32 auf die Kugel 18 ausgeübte Kraft zwischen 100 N und 200 N, insbesondere 150 N. Die Kraft der Feder 32 und der Durchmesser der Kugel 18 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass beim Abrollen der Kugel 18 auf der zu bearbeitenden Oberfläche rinnenförmige Bahnen in der Oberfläche verursacht werden. Die Kraft der Feder 32 muss so groß sein, dass die bearbeitete Oberfläche verdichtet wird und das Material an und unmittelbar hinter der Oberfläche verdrängt wird, um dort eventuell vorhandene Lunker aufzufüllen bzw. zuzudrücken. Ein Kugeldurchmesser von 8 mm und eine Federkraft von etwa 150 N haben sich bei der Bearbeitung von Oberflächen aus Aluminiumguss EN AC-43000 AlSi10Mg(a) mit einer Brinell-Härte von HB 55 bis 60 als äußerst vorteilhaft erwiesen.
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Nachdem mittels der Kugeln 18 die vollständige zu bearbeitende Oberfläche überstrichen wurde und die bearbeitete Oberfläche somit vollständig von rinnenförmigen Bahnen bedeckt ist, die durch die Kugeln 18 verursacht wurden, erfolgt eine Endbearbeitung der Oberfläche mit einem nicht dargestellten spanenden Werkzeug. Beispielsweise kann ein Fräswerkzeug mit einem polykristallinen Diamanten (PKD) verwendet werden. Durch die spanende Bearbeitung wird die Oberfläche geglättet, speziell werden die rinnenförmigen Bahnen, die die Kugeln 18 hinterlassen haben, abgefräst. Das Abfräsen erfolgt dabei um ein solches Maß, dass die fertig bearbeitete Oberfläche noch innerhalb des durch die Kugeln 18 verdichteten Materialbereichs liegt. Beispielsweise wird eine zu bearbeitende Oberfläche mit einem Übermaß von 0,05 bis 0,5 mm, insbesondere 0,1 mm, hergestellt. Daraufhin erfolgt das Verdichten der Oberfläche mittels des Werkzeugkopfes 10. Anschließend erfolgt das spanende Bearbeiten der Oberfläche auf das vorgesehene Endmaß.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere ebene Oberflächen von Leichtmetallgussteilen in einfacher Weise endbearbeiten und speziell können durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Oberfläche eines Leichtmetallgussteils vorhandene Lunker aufgefüllt oder zusammengedrückt werden. Nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens steht dann eine glatte, ebene Oberfläche ohne Lunker zur Verfügung, die einen optimalen Dichtsitz eines weiteren Bauteils gewährleisten kann.
