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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines aus
Leichtmetall bestehenden Kurbelgehäuses einer Hubkolbenmaschine
mit eingegossenen Zylinderlaufbüchsen
aus einer übereutektischen
Aluminium/Silizium-Legierung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1,
welches Verfahren beispielsweise aus der
DE 44 38 550 A1 als bekannt hervorgeht.
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Bei übereutektischen
Zylinderlaufbüchsen stehen
in der Lauffläche
harte Silizium-Primärkristalle und
Kristalle von intermetallischen Phasen an, die in ein Matrixmetall
eingebettet und oberflächlich
durch die Feinbearbeitung angeschnitten sind. Die Plateauflächen dieser
harten, eingelagerten Laufbahnpartikel stellen die tragenden und
verschleißresistenten Flächen der
Kolbenlauffläche
dar. Während
der Einlaufphase des Motors muß eine
Berührung
zwischen den Kolbenringen und dem weichen Aluminium des Matrixmetalls
vermieden werden, weil es sonst zum Fressen zwischen beiden Reibpartnern
kommen würde.
Nach einer gewissen Einlaufphase überzieht sich das Matrixmetall
mit einer Oxidhaut, die eine metallische und freßgefährliche Berührung verhindert. Wegen der
dichten Anordnung der eingelagerten Laufbahnpartikel genügt eine
geringe Freilegungstiefe, um in der Einlaufzeit eine metallische
Berührung zwischen
Matrixmetall und Kolbenring wirksam zu vermeiden. Die zwischen den
Hartpartikeln freigelegten flachen "Gräben" füllen sich
während
der Einlaufzeit mit einer ebenfalls harten Oxidhaut auf.
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Bei
dem aus der zitierten
DE
44 38 550 A1 bekannten Verfahren werden die eingelagerten
Laufbahnpartikel mechanisch freigelegt. In eine fertig bearbeitete
Zylinderbohrung des Kurbelgehäuses
ist eine Honahle absenkbar, die am Umfang mit mehreren axial ausgerichteten
Filzleisten bestückt
ist, die sich aufgrund einer Nachgiebigkeit des Filzes außen selbsttätig zylindrisch
an die Innenoberfläche
der Zylinderlaufbüchse
anpassen. Die Filzleisten sind radial beweglich in der Honahle geführt und
mit einstellbarer Kraft an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse anpreßbar. Das
mechanische Freilegen erfolgt in Gegenwart einer Läpp-Paste
oder eines zirkulierten Honöls,
in dem feine, abrasiv wirkende Schleif- oder Polierkörner aus
einem Hartstoff suspendiert sind. Durch diese Freilegungstechnik
werden neben dem Abtragen des weicheren Matrixwerkstoffes auch die
Begrenzungskanten der Plateauflächen
der freigelegten Laufbahnpartikel verrundet, was für den späteren Motorbetrieb
von Vorteil ist. Die bekannte Freilegungstechnik ist nach den Erfahrungen
der Anmelderin bevorzugt für
Einzelbearbeitungen von Kurbelgehäusen, z.B. bei Reparaturen
einsetzbar, zumal diese Technik auf Standardmaschinen zurückgreift.
Diese Technologie ist jedoch nicht bei der serienmäßigen Herstellung
von neuen Motoren zu empfehlen, weil es wegen des offenen Honvorganges
zu einem Verschleppen von abrasiven Partikeln in die Umgebung der
Honmaschine und in das Kurbelgehäuse
kommen kann. Trotz sorgfältiger Reinigung
der Kurbelgehäuse
können
verschleppte Partikel im Kühlwassermantel
oder – noch
schlimmer – in
Schmierölkanälen des
Kurbelgehäuses
zurückbleiben,
die dann bei Motorbetrieb von dort in den Motor gelangen und an
ihm Schaden anrichten können.
Bei Reparaturarbeiten ist eine entsprechend sorgfältige und
aufwendige Reinigung des Kurbelgehäuses einschließlich Kühlwassermantel
und Schmierölkanälen eher
zumutbar als in der Serienfertigung.
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Für das serienmäßige Freilegen
der in der bearbeiteten Zylinderlauffläche eingelagerten Laufbahnpartikel
wird bei der Anmelderin die Technologie nach der
DE 195 23 484 A1 eingesetzt,
bei der eine verdünnte
Natronlauge verwendet wird. Die eingelagerten Laufbahnpartikel werden
also chemisch freigeätzt.
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Diese
Technologie setzt allerdings eine umfangreiche und im Investitionsaufwand
teure Anlage voraus. Die Prozeßparameter
der Ätzflüssigkeit
müssen
sorgfältig
optimiert und in engen Grenzen eingehalten werden. Die Prozeßflüssigkeit
muß einer
ständig
kontrollierten Badpflege unterworfen werden. Dazu ist neben einer
entsprechenden Anlage auch ein fachlich qualifiziertes und motiviertes
Wartungspersonal erforderlich, was nicht überall vorausgesetzt werden
kann. Im übrigen
sind die chemisch freigelegten Laufbahnpartikel an den Begrenzungskanten
ihrer Plateauflächen
im Neuzustand scharfkantig abgesetzt. Ein Motor mit chemisch freigelegten,
tragenden Laufbahnpartikeln muß also
sorgfältig
eingefahren werden, so daß die
Zwikkel unterhalb der anfänglich
scharfen Begrenzungskanten während
der Einlaufphase mit Oxidationsprodukten aufgefüllt und sie so im Ergebnis
etwas verrundet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine einfachere Alternative des gattungsgemäß zugrundegelegten Freilegungsverfahrens
aufzuzeigen, die einerseits weniger anspruchsvoll bezüglich des
erforderlichen Investitionsaufwandes und der Qualifikation des Wartungspersonals
sowie bezüglich
der Einfahrsorgfalt des Motors ist, die aber andererseits nicht
die Gefahr des Verschleppens von abrasiven Partikeln in den Motor
in sich birgt.
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Diese
Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Danach
erfolgt das mechanische Freilegen der tragenden Laufbahnpartikel
durch Bestrahlen der Lauffläche
mittels eines energiereichen, feine Hartpartikel enthaltenden Fluidstrahles,
wobei die Zylinderlaufbüchsen
während
der Bearbeitung an beiden offenen Enden gegen einen Austritt von
Fluidstrahl-Medium und/oder Fluidstrahl-Partikel dicht gekapselt
werden. Dadurch wird ein unkontrolliertes Verschleppen von Fluidstrahl-Partikel
in Nischenräume
des Kurbelgehäuses
vermieden. Im übrigen
ist das Fluidstrahl-Medium leicht zu handhaben. Eine komplizierte
Badpflege ist wegen des physikalischen Wirkmachanismus' der Freilegungstechnik
nicht nötig.
Es sind lediglich einfach und leicht beherrschbare Vorgänge wie
Fest/flüssig-Trennung,
das herauslösen
des Metallabtrages aus einer abgeschiedenen Feststoff-Fraktion oder
das Zumischen einer Paste aus abrasiven Fluidstrahl-Partikeln erforderlich.
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Die
Körnung
der Fluidstrahl-Partikel ist zweckmäßigerweise geringer als die
Körnung
der oberflächlich
in der Lauffläche
eingelagerten Laufbahnpartikel. Als Fluidstrahl-Medium wird ein
mit Zusätzen
versehenes, wässriges
Medium verwendet, wobei auch Luft zugemischt sein kann. Als flüssige Zusätze kann
z.B. ätzende
Natronlauge beigegeben werden. Der Fluidstrahl wird – aufgrund
eines Druckes von etwa 8 – 60
bar – mit
einer Geschwindigkeit von etwa 40 – 100 m/sec auf die zu bearbeitende Oberfläche der
Zylinderlaufbüchse
gerichtet. Die Hartpartikel haben ein Körnungsspektrum von etwa 5 – 25 μm, wobei
scharfkantig gebrochener Edelkorund oder Siliziumcarbid verwendet
wird. Der energiereiche Fluidstrahl wird unter einem Winkel von
etwa 30 – 45 ° zur Mantellinie
und/oder zur Umfangsrichtung der Zylinderlauffläche auf diese gerichtet, und
zwar – simultan
oder sukzessiv – unter
etwa spiegelbildlicher Strahlneigung.
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch erläutert;
dabei zeigen:
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1 eine
Schnittansicht durch bzw. auf ein in einer Einrichtung zum Freilegen
der harten Laufbahnpartikel aufgenommenes Kurbelgehäuse mit
in die Zylinderlaufbüchse
eingesenkten Düsenkopf,
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2 eine
schematisierte Ansicht der gesamten Freilegungsmaschine, von der 1 lediglich
einen vergrößerten Ausschnitt
darstellt, einschließlich
der Druckzufuhr des Fluidstrahl-Mediums,
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3 einen
entlang der Schnittlinie III-III gelegten Querschnitt durch die
Zylinderlaufbüchse
und den Düsenkopf
nach 1,
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4 einen
stark vergrößerten Querschnitt durch
ein oberflächennahes
Volumenelement der Zylinderlaufbüchse,
die oberflächlich
eingelagerten, partiell freigelegten Hartpartikel zeigend,
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5 ein
Balkendiagramm bezüglich
der Korngrößenverteilung
der Silizium-Primärkristalle
der Zylinderlaufbüchse
und der abrasiven Fluidstrahl-Partikel,
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6 einige
stark vergrößert dargestellte, scharfkantig
gebrochene Fluidstrahl-Partikel und
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7 ein
Verfahrens-Flußschema
bezüglich des
Regenerierens der Prozeßflüssigkeit.
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Die
Erfindung ist Teil eines umfassenderen Verfahrens zum Herstellen
eines aus Leichtmetall bestehenden Kurbelgehäuses 1 einer Hubkolbenmaschine
mit eingegossenen Zylinderlaufbüchsen 3 aus einer übereutektischen
Aluminium/Silizium-Legierung. Die Zylinderlaufbüchsen 3 werden zunächst als Einzelteile
nach einem gesonderten Verfahren in einer übereutektischen Zusammensetzung
bei feinkörnigem
Gefüge
hergestellt, wobei die Zusammensetzung und Gefügeausbildung unter tribologischen
Gesichtspunkten optimiert sind. Aufgrund der übereutektischen Legierung scheiden
sich in den Rohlingen der Zylinderlaufbüchsen Silizium-Primärkristalle 9 aus,
die härter
als das Grundgefüge 14 der
Legierung sind und die tragende Oberflächenpartikel für den Kolben
bilden sollen. Je nach Zusammensetzung der übereutektischen Legierung entstehen
bei der Erstarrung auch noch Partikel 10 und 11 von
verschiedenen intermetallische Phasen, z.B. zwischen Magnesium und
Silizium (Mg2Si) und zwischen Aluminium
und Kupfer (Al2Cu), die ebenfalls tragende
Oberflächenpartikel
für den
Kolben bilden können.
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Die
Rohteile der Zylinderlaufbüchsen 3 werden
dann in das Kurbelgehäuse 1 eingegossen,
wobei sie am Umfang, insbesondere im Bereich des Kühlwassermantels 2 mit
Umgußwerkstoff 4 stoffschlüssig verbinden.
Die Zylinderlaufbüchsen
werden danach gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse bearbeitet. Dazu wird unter
anderem die Lauffläche
der Zylinderlaufbüchsen
zunächst
grob vorbearbeitet und anschließend
spanabhebend im Sinne eines Bohrens oder Drehens fein bearbeitet.
Anschließend wird
die Lauffläche 8 zumindest
einstufig gehont. Nach dem Honen werden die in der Lauffläche liegenden,
härter
als das Grundgefüge
der Legierung ausfallenden Laufbahnpartikel 9, 10 und 11 derart aus
der Lauffläche
freigelegt, daß Plateau-Flächen 13 der
Partikel gegenüber
der sonstigen Oberfläche 14 des
Grundgefüges 12 der
Legierung um eine gewisse Freilegungstiefe t hervorstehen.
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Erfindungsgemäß soll das
Verfahren für
das partielle mechanische Freilegen der oberflächlich eingelagerten, tragenden
Laufbahnpartikel 9 bis 11 bezüglich des erforderlichen Investitionsaufwandes und
der Qualifikation des Wartungspersonals einerseits weniger anspruchsvoll
gestaltet, andererseits aber die Gefahr des Verschleppens von abrasiven Partikeln
in den Motor vermieden werden. Zu diesem Zweck sieht das vorgeschlagene
Freilegeverfahren vor, die Lauffläche 8 der Zylinderlaufbüchsen 3 mittels
eines energiereichen Fluidstrahles 41 zu bestrahlen, der
feine, abrasiv wirkende Fluidstrahl-Partikel 42 enthält. Während der
Bearbeitung liegen an beide offenen Enden 5, 6 der
Zylinderlaufbüchsen 3 Auffang-
(43) und Rückführungskanäle 46 für Fluidstrahl-Medium
dichtend an, um einen unkontrollierten Austritt von Fluidstrahl-Medium
und/oder Fluidstrahl-Partikel 42 in die Umgebung zu verhindern.
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Bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
liegt das Kurbelgehäuse 1 mit
der Kopfdichtfläche 7 nach
unten weisend auf einer formangepaßten Gehäuseaufnahme 24 auf,
die oberseitig auf der oberen Abschlußwand 26 eines Auffangbeckens 25 lagedefiniert,
unnachgiebig und flüssigkeitsdicht
befestigt ist. Entsprechend der Lage und Größe der Zylinder bohrungen des
Kurbelgehäuses
sind in die Gehäuseaufnahme 24 Bohrungen 46 eingearbeitet,
die in einen entsprechenden Rohrstutzen in der Abschlußwand übergehen.
Aufgrund jeweils einer umlaufenden Weichdichtung legen sich die
kopfseitigen offenen Enden der Zylinderlaufbüchsen dichtend an die Gehäuseaufnahme 24 an,
wenn das Kurbelgehäuse
mittels der Pratzen 47 auf die Unterlage festgeklemmt wird.
Die Bohrungen und die Rohrstutzen bilden zusammen einen Rückführungskanal 46 für Fluidstrahl-Medium, der dieses
nach der Arbeitsleistung vollständig
in das Auffangbecken 25 zurückleitet. In dem Auffangbecken
werden alle Fluidstrahl-Medien, seien sie mit Fluidstrahlpartikeln vermischt
oder nicht, sei es während
der Bearbeitung, während
des Spülens
oder während
des Trockenblasens, gesammelt und über eine vom Beckenboden 27 ausgehende
Leitung 28 in den Prozeß für die Medium-Aufbereitung zurückgeleitet.
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Nach
dem Festklemmen eines Kurbelgehäuses
senken sich in weiterer Vorbereitung des Freilegungsprozesses rohrförmige Auffangkanäle 43 ab, die
konzentrisch zu den Zylinderlaufbüchsen angeordnet und vertikal
geführt
sind. Sie tragen an ihren gehäuseseitigen,
unteren Enden Weichdichtringe, die sich dichtend auf die nach oben
weisenden kurbelseitigen, offenen Enden 6 der Zylinderlaufbüchsen anlegen
und aufspritzendes Fluidstrahl-Medium in dessen Inneren vollständig einfangen
und nach unten in das Auffangbecken 25 zurückleiten.
Während des
gesamten Freilegungs-, Spül-
und Trocknungsvorganges verbleiben die Auffangkanäle 43 ortsfest in
der dargestellten, auf das Kurbelgehäuse abgesenkten Stellung.
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Bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
verläuft
konzentrisch im Inneren eines jeden Auffangkanales 43 jeweils
eine drehbare sowie heb- und senkbare Drucklanze 29 zum
Zuführen
des Fluidstrahl-Mediums zu der Bearbeitungsstelle. Diese Drucklanze 29 ist
oberseitig aus den Auffangkanäle
durch ein Labyrinth 44 dichtend herausgeführt. Etwaiges,
in eine vordere Labyrinthkammer austretendes Fluidstrahl-Medium
wird über
einen flexiblen Rücklaufschlauch 45 in
das Auffangbecken 25 zurückgeleitet. Aufgrund der dich tend an
den offenen Enden der Zylinderlaufbüchsen anliegenden Auffang-
und Rückführkanäle 43 bzw. 46 ist die
Bearbeitungsstrecke dicht gekapselt, so daß keinerlei Fluidstrahl-Medium
unkontrolliert nach außen austreten
kann.
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Jeder
der Zylinderlaufbüchsen
ist jeweils eine Drucklanze 29 zugeordnet, die abgedichtet durch
die erwähnte
Kapselung konzentrisch in jeweils eine zugehörige Zylinderlaufbüchse hineinragen.
Unterseitig tragen die Drucklanzen einen – verschleißbedingt austauschbaren – Düsenkopf 38,
der jeweils mehrere energiereiche Fluidstrahlen auf die Lauffläche 8 der
Zylinderlaufbüchsen
leitet. Mittels eines Drehantriebes 22 können die
Drucklanzen 29 in langsame Rotation versetzt werden. Der
Drehantrieb 22 ist auf einem in einer vertikalen Führung 21 hubbeweglich
geführten
Schlitten 20 angeordnet, der aufgrund eines Hubantriebes 23 bei
geringer Vorschubgeschwindigkeit in Arbeitsrichtung vertikal verfahrbar
ist und der im Eilgang in eine Ausgangslage zurückgebracht werden kann. Damit
das Fluidstrahl-Medium von einer nicht-drehenden Druckquelle aus
der rotierenden und axial verfahrenden Drucklanze zugeführt werden
kann, ist jeder Drucklanze jeweils ein Zufuhrkopf 30 zugeordnet,
dem das Fluidstrahl-Medium über
einen flexiblen Hochdruckschlauch 31 zugeleitet wird. Der
Zufuhrkopf 30 ist drehbar aber axial unbeweglich auf der
Drucklanze gelagert und betriebssicher gegen das abrasiv wirkende
und unter hohem Druck stehende Fluidstrahl-Medium abgedichtet.
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Für das partielle
Freilegen der oberflächlich eingelagerten
Laufbahnpartikel 9 – 11,
d.h. für
das Abtragen einer gewissen Lage des Matrixwerkstoffes 12 ist
eine gewisse Strahlenergie, sprich Strahlgeschwindigkeit und dementsprechend
ein gewisser Vorlaufdruck vor dem Düsenkopf 38 erforderlich.
Je nach Einwirkungsdauer, erforderlicher Freilegungstiefe t und
je nach abrasiver Wirkung der Fluidstrahl-Partikel 42 ist
eine Strahlgeschwindigkeit an der Auftreffstelle von etwa 40 bis
100 m/sec und dazu wiederum ein Druck von etwa 8 bis 60 bar nötig. Dieser
Druck wird durch die Hochdruckpumpe 32 erzeugt. Bei der
Druckerzeugung wird in der Hochdruckpumpe partikel freies Trägermedium
für den
Fluidstrahl, im Beispiel also bloßes Wasser bzw. wässriges
Medium gefördert,
welches die Hochdruckpumpe über
die Leitung 33 aus einer Medium-Aufbereitungsanlage ansaugt.
In einer in der Druckleitung hinter der Hochdruckpumpe angeordneten
Mischkammer 36 kann dem Trägermedium bedarfsweise über eine
Dickstoffpumpe 34 abrasiv wirkendes Feingranulat, d.h.
Fluidstrahl-Partikel 42, in suspendiertem, dünn-pastösem Zustand
zudosiert werden. Die Dickstoffpumpe 34 saugt das pastöse Feingranulat über eine
Leitung 35 aus der Medium-Aufbereitungsanlage an. Je nach
Arbeitsphase – Abtragen
oder Spülen – wird pastöses Feingranulat
dem Trägermedium
zudosiert oder nicht zudosiert, so daß am Düsenkopf ein abrasiv wirkender
Fluidstrahl oder ein partikelfreier Spülstrahl austritt. Um die Zylinderlaufflächen nach
dem Spülen
auch trocken blasen zu können,
ist die Druckleitung hinter der Mischkammer 36 durch ein
Absperrventil verschließbar. Über ein
anderes Verschlußorgan
kann statt dessen Druckluft aus einer Druckluftquelle 37 in
die Drucklanze eingeleitet werden.
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Um
eine gute Abtragswirkung trotz der geringen Körnung der abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42 zu erzielen,
wird als Werkstoff für
diese Partikel scharfkantig gebrochener Edelkorund oder entsprechend geformtes
Siliziumcarbid verwendet. Die Körnung
d der abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42 ist geringer als die
Körnung
der oberflächlich
in der Lauffläche
eingelagerten tragenden Laufbahnpartikel 9 bis 11.
Nachdem das Körnungsspektrum
der Siliziumprimärkristalle 9 – von geringen
Mengen extrem feiner oder extrem grober Körnung abgesehen – beispielsweise gemäß der Darstellung
nach 5 etwa zwischen 2 bis 15 μm und schwerpunktmäßig im Bereich
von 3,5 bis 10 μm
liegt, wird empfohlen, für
die Körnung
der abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42 ein
Körnungsspektrum
von etwa 2 – 10 μm zu verwenden,
wobei die am häufigsten
vorkommende Korngröße im Bereich
unter 10 μm,
z.B. zwischen 2,5 und 4,5 μm
liegt.
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Es
wurde bereits erwähnt,
daß als
flüssiges Trägermedium
für die
abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42 zweckmäßigerweise
Wasser oder ein mit Zusätzen
versehenes wässriges
Medium verwendet wird. Diesem Trägeremedium
kann u.U. auch Luft zugegeben werden. Statt dessen kann als Fluidstrahl-Medium
auch eine Flüssigkeit-in-Luft-Suspension
verwendet werden, wobei die abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42 in
den suspendierten Flüssigkeitströpfchen enthalten
sind. Eine Nässebindung
der feinen Fluidstrahl-Partikel ist zur Staubfreihaltung der Umgebung und
für die
Trennung von Metallabtrag und Fluidstrahl-Partikel praktisch unumgänglich.
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Um
die abrasive Wirkung im Ergebnis zu verstärken, können dem wässrigen Medium noch ätzende Zusätze, insbesondere
Natronlauge beigegeben werden. Diese Zugabe zu dem wässrigen
Trägermedium
wird sich allein durch eine Verschleppung von Lauge aus der Granulat/Metall-Trennung
mittels Lauge nicht vermeiden lassen. Darauf soll weiter unten noch
näher eingegangen
werden.
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Grundsätzlich wird
eine Abtragswirkung durch einen energiereichen Partikelstrahl bei
jeder beliebigen Strahlneigung erreicht. Angestrebt ist jedoch eine
gute Abtragsleistung einerseits kombiniert mit einem schonenden
Abtrag andererseits, der die freizulegenden Laufbahnpartikel möglichst
wenig schädigt.
Ein Kompromiß in
dieser Hinsicht liegt in einer geneigten Strahlanordnung. Und zwar
wird der energiereiche Fluidstrahl 41 zur Mantellinie und/oder zur
Umfangsrichtung der Zylinderlauffläche 8 geneigt auf
die Zylinderlauffläche
gerichtet, wobei der energiereiche Fluidstrahl 41 unter
etwa spiegelbildlicher Strahlneigung auf die Zylinderlauffläche gerichtet wird.
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Der
in den 1 und 3 dargestellte Düsenkopf
weist insgesamt vier Düsen
auf, von denen zwei gegenüberliegende
Düsen 39 und 39' gegen die Mantellinie
der Zylinderlauffläche,
also axial geneigt sind. In Umfangsrichtung zwischen den Düsen 39 und 39' sind zwei weitere
Düsen 40 und 40' am Düsenkopf
angeordnet, die einen zur Umfangsrichtung geneigten Strahl erzeugen.
Der von den axial geneigten Düsen 39, 39' erzeugte Fluidstrahl 41 ist
um einen Winkel ±α von etwa
30 bis 45 ° an geordnet.
Die Neigungswinkel ±β des Fluidstrahls
der peripher geneigten Düsen 40, 40' ist etwa ebenso
groß.
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Nach
dem Einspannen des Kurbelgehäuses in
der Freilegungsmaschine in der geschilderten Weise wird zum partiellen
Freilegen der Laufbahnpartikel 9 bis 11 aus der
Zylinderlauffläche 8 der
Düsenkopf 38 der
Drucklanze an das eine Ende der Zylinderlaufbüchse 3, beispielsweise
an den in Einspannlage oberen Rand 6 gefahren und in leichte
Rotation von etwa 30 bis 100 Umdrehungen je Minute versetzt. Die Hochdruckpumpe 32 fördert Trägermedium über den Hochdruckschlauch 31 und
die Drucklanze 29 in den Düsenkopf 38 und erzeugt
an den vier Düsen 39, 39', 40 und 40' vier geneigt
auf die Zylinderlauffläche 8 gerichtete
Hochdruckstrahlen 41. Die Abtragsleistung des Strahles
ist im partikelfreien Zustand des Trägermediums so, daß praktisch
noch keine Abtragswirkung zustande kommt. Der Düsenkopf kann also ohne weiteres
in einer axialen Ausgangsstellung in diesem druckbeaufschlagten
aber partikelfreien Zustand zumindest kurzzeitig verharren. Nach
Freigabe auch der Dickstoffpumpe 34 und Zugabe von dünn-pastösem Feingranulat
in das Trägermedium werden
die energiereichen Strahlen 41 aufgrund der mitgeschleppten
kantigen Hartpartikel 42 abrasiv, so daß der weichere Matrixwerkstoff 12 vorsichtig
abgetragen wird. Der rotierende Düsenkopf muß nun langsam in der Zylinderlaufbüchse axial
vorgeschoben werden, wobei je nach Strahlenergie, abrasiver Wirkung
der Partikel 42, Strahlbreite und gewünschter Freilegungstiefe eine
optimale Vorschubgeschwindigkeit von Fall zu Fall empirisch ermittelt
werden muß.
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Wenn
die gesamte Länge
der Zylinderlaufbüche
auf die geschilderte Weise durch den Düsenkopf zurückgelegt ist, wird die Dickstoffpumpe 34 abgeschaltet
und das Verschlußorgan
in ihrem Druckstutzen verschlossen, so daß keine Fluidstrahl-Partikel 42 dem
Trägermedium
mehr zugegeben werden. Die Förderung
des Trägermediums
durch die Hochdruckpumpe 32 wird gleichwohl aufrechterhalten,
und zwar wird nun die bearbeitete Zylinderlaufbüchse mit partikelfreiem Trägermedium
freigespült.
Dieses Freispülen
geschieht zweckmäßigerweise
ebenfalls mit abwärts
gerichtetem Vorschub des rotierenden Düsenkopfes.
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Um
nach dem Spülen
auch keine Flüssigkeitsreste
zu verschleppen, werden die Zylinderlaufbüchsen anschließend über den
Düsenkopf 38 mittel Druckluft
aus der Druckquelle 37 trocken geblasen. Während dieser
Zeit ist die Hochdruckpumpe abgeschaltet und ihre Druckleitung abgesperrt.
Anschließend
kann das fertig bearbeitete Kurbelgehäuse nach Lösen der Einspannungen und Kapselungen aus
der Maschine entnommen werden und ein neues Kurbelgehäuse eingesetzt
werden.
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Es
ist mit Rücksicht
auf die geringe Körnungsgröße der Laufbahnpartikel 9 – 11 eine
nur geringe Freilegungstiefe t erforderlich. Und zwar wird auf eine
Freilegungstiefe t hingearbeitet, die maximal etwa 25 % des kleinsten
Korndurchmessers der Laufbahnpartikel entspricht. In 4 ist
dieses Freilegungsmaß t übertriebe
groß dargestellt.
Angestrebt ist ein Wert von etwa 0,5 μm. Dieses mit dem energiereichen
Fluidstrahl 41 abgtragene Matrixmetall findet sich in Form
von feinsten Metallpartikeln in der partikelhaltigen Flüssigkeit
wieder, die in dem Auffangbecken 25 gesammelt wird. Wenn
auch die Abtragsmengen in absoluter Größe nur gering sind – es werden
je Zylinderlaufbüchse
maximal etwa 20 mg an Matrixwerkstoff abgetragen – so muß dieses
Metall aus der Flüssigkeit
herausgeholt werden, um eine Metall-Anreicherung in der Trägerflüssigkeit
zu vermeiden.
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Die
Regeneration der Prozeßflüssigkeit
soll nachfolgend anhand des Verfahrens-Flußschemas nach 7 erläutert werden.
Der mit dem Hinweis "Freilegungsprozeß" etikettierte Prozeßblock umfaßt den in 2 dargestellten
Bearbeitungsumfang. Nach dem Durchgang des Fluidstrahl-Mediums durch
die Bearbeitungsstrecke wird dieses gemeinsam mit den suspendierten
abrasiven Fluidstrahl-Partikeln 42 und dem Metallabtrag
und gemeinsam mit der Spülflüssigkeit
in dem Auffangbecken 25 gesammelt. Die unten aus dem Auffangbecken 25 austretende
Leitung 28 entspricht dem Materialflußpfeil gleicher Bezugszahl
in 7.
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Der
vom Auffangbecken 25 abgezogenen heterogenen Prozeßflüssigkeit
werden zunächst
in einer ersten mit "Grobtrennung" bezeichneten Trennstufe
die Feststoffe entzogen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine
Feststoff/flüssig-Trennung
in einem Hydrozyklon handeln. Die noch feinste Feststoffpartikel
enthaltende Flüssigfraktion
wird anschließend
einer "Feintrennung" z.B. in einem Absetzbecken
unterworfen. Der darin abgesetzte Feinstoff, der im wesentlichen
die in feinste Partikel zerfallenen Bruchteile der Fliudstrahl-Partikel 42 enthält, wird
aus dem Prozeß abgezogen
und entsorgt. Mit dem dabei abgezogenen, feinen und dünnflüssigen Schlicker
wird unvermeidlich auch eine gewisse Wassermenge dem Prozeß entzogen,
welche durch Frischwasser ersetzt werden muß. Die Klarfraktion der "Feintrennung" wird als partikelfreies
Trägermedium
in den Freilegungsprozeß zurückgeleitet.
Der entsprechende Materialflußpfeil
entspricht – zumindest
teilweise – der
Saugleitung 33 der Hochdruckpumpe 32 in 2.
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Der
in der Stufe "Grobtrennung" abgeschiedene Feststoff
enthält
als dünnflüssiger Schlicker
neben dem Metallabtrag vor allem die abrasiven Fluidstrahl-Partikel 42.
Die darin enthaltenen feinen Metallpartikel werden in der Behandlungsstufe "Metallauflösung" in einer verdünnten Natronlauge
aufgelöst,
wozu der Schlicker mit niedrigprozentiger Natronlauge in eine wenig
feststoffreiche Flüssigkeit bzw.
Suspension verdünnt
wird. Durch ein Rührwerk wird
der Feststoff darin in Schwebe gehalten, wobei sich die abgetragenen
Aluminium-Partikel in der Lauge auflösen und nur noch die gegenüber der
Lauge resistenten Fluidstrahl-Partikel übrig bleiben. Aufgrund der
feinen Körnung
des abgetragenen Metalls und der im Prinzip beliebig langen Verweilzeit
der Feststoffe in dieser Behandlungsstufe kann das Metall auch bei
geringen Laugenkonzentrationen vollständig aufgelöst werden. Der Auflösungsprozeß des abzutragenden
Metalls findet außerhalb
des Werkstückes
statt und braucht daher nicht einer empfindlichen oder sensiblen
Prozeßsteuerung
bzw. -kontrolle unterworfen zu werden. Neben der aus der Medium-Regeneration
recyclierten Altlauge wird hier be darfsweise zur Einstellung des
richtigen pH-Wertes auch Frischlauge in konzentrierter Form zugegeben. Nach
einer gewissen Aufenthaltszeit der Prozeßflüssigkeit in der Behandlungsstufe "Metallauflösung" wird entsprechend
dem Mengenstrom eine gewisse Menge daraus abgezogen und einer ersten
Feststoffabscheidung unterworfen, was wiederum mittels Hydrozyklonen
erfolgen kann. Die dabei abgeschiedene Flüssigkeit ist die Lauge aus
der Behandlungsstufe "Metallauflösung", die in die vorausgehende
Behandlungsstufe zurückgeleitet
wird.
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Die
Feststoff-Fraktion aus der Behandlungsstufe "Metallauflösung" fällt
wiederum als dünnflüssiger Schlicker
der abrasiven Fluidstrahl-Partikeln an, der jedoch aufgrund der
darin noch enthaltenen Lauge stark alkalisch ist. Um mit dem zurück zu leitenden Alt-Granulat
nicht zu viel Lauge in den Freilegungsprozeß zu verschleppen, wird dieser
Schlicker zuvor noch unter Verwendung von frischem Wasser gespült. Die
im Schlicker enthaltene Lauge wird dabei also verdünnt. Es
folgt anschließend
eine weitere Feststoffabscheidung, in der als Feststoff-Fraktion die
abrasiven Fluidstrahl-Partikel in Form eines chemisch weitgehend
neutralen, dünnflüssigen Schlickers
anfallen, der in den Freilegungsprozeß zurückgeleitet wird. Der Materialflußpfeil "neutrales Alt-Granulat" in dem Verfahrensschema
von 7 entspricht weitgehend der Zulaufleitung 35 vor
der Dickstoffpumpe 34 in der Darstellung von 2.
Da das recyclierte Altgranulat um eine gewisse ausgeschiedene Feinfraktion
reduziert ist, muß zumindest
in gewissen Abständen
neues Granulat in den Prozeß eingespeist
werden, was – entgegen
der Darstellung in 7 – zweckmäßigerweise ebenfalls vor der
Dickstoffpumpe 34 erfolgt.
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Die
bei der "Feststoffabscheidung 2" anfallende
Flüssigfraktion
ist verdünnte
Altlauge, die dem Prozeß entzogen
und entsorgt wird. Mit dieser verdünnten Altlauge wird dem Prozeß nicht
nur die aufgrund der Metall-Auflösung "verbrauchte" Lauge entzogen,
sondern diese verdünnte
Altlauge enthält auch
andere Bestandteile, was im Sinne einer Mengenbilanzierung beachtet
werden muß.
Zum einen wird mit der verdünnten
Altlauge das von den Zylinderlaufbüchsen abgetragene und aufgelöste Matrixmetall
ausgetragen, das selbstverständlich
nicht ersetzt wird. Zum anderen wird mit der verdünnten Altlauge
auch eine gewisse Wassermenge ausgetragen, die mengenmäßig durch
Zugabe von Frischwasser ersetzt werden muß.
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Schließlich findet
sich in der verdünnten
Altlauge auch noch eine gewisse Feinfraktion von mechanisch zerfallenen
Fluidstrahl-Partikeln, die ebenfalls dem Prozeß entzogen wird und mengenmäßig durch
Neugranulat ersetzt werden muß.
Dieser laufende Verlust an Feinfraktion der Fluidstrahl-Partikel an
den verschiedenen Trennstufen ist durchaus von Vorteil, weil auf
diese Weise der beim Partikel-Strahlen unvermeidliche Partikelzerfall
kompensiert werden kann. Die Feinfraktion wird auf natürliche Weise ausgeschleust
und durch Neugranulat ersetzt.