DE60020611T2

DE60020611T2 - Herstellung von teilen für ventilmechanismus von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE60020611T2
Application number: DE60020611T
Authority: DE
Inventors: Kent Strand; Sven-Ake Karlsson; Stefan Ekblad
Original assignee: Saab AB
Current assignee: Mx Composites Linkoeping Se AB
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: DE60020611D1; US7052637B1; WO2001087524A1; ATE296703T1; EP1313586B1; EP1313586A1

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils wie z.B. eines Kipphebels, eines Nockenstößels oder einer Nocke für Ventilmechanismen für Verbrennungsmotoren durch Schneiden eines Metallmatrixverbundstoffs (MMC) mit Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSM) gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (Iuliano, L.; Settineri, L.; Gatto, A; „High speed turning of metal matrix composites with coated and uncoated carbide tools"; International Symposium on Automotive Technology and Automation, Florenz, Italien, 19. Juni 1997, S. 445–452).
STAND DER TECHNIK
Gesetzgeber und Konkurrenz drängen Fahrzeughersteller ständig, die Leistung im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Vibrationen, Geräusche, Komfort usw. zu verbessern. In all diesen Zusammenhängen ist Gewichtsverringerung wesentlich, insbesondere in Bezug auf ungefederte Masse und in sich schnell bewegenden Teilen. Die Ventilmechanismen für Otto- und Dieselmotoren enthalten Teile, deren Gewichtsreduzierung für die Verringerung von Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Geräusche von großer Bedeutung sind. Kipphebel und Nocken sind für solche Teile typisch. Sie bestehen derzeit aus gehärtetem Eisen oder gehärtetem/einsatzgehärtetem Stahl und somit ist eine Umstellung auf ein leichtes, starkes und verschleißfestes Material von potentiellem Interesse.
Der Einsatz von MMC-Material wird in der nachfolgend beschriebenen Erfindung vorgeschlagen. Das kommerzielle Interesse an Strukturmaterialien des bekannten Typs, allgemein als MMC-Materialien („Metal Matrix Composites") hat während der 90er Jahre zugenommen. MMC-Materialien sind Verbundstoffe, die aus einem Bindematerial in der Form eines Metalls wie Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen davon besehen, die durch die Beimischung von Fasern oder Partikeln in der Form von Keramiksubstanzen wie Siliciumcarbid, Borcarbid oder Aluminiumoxid verstärkt werden, so dass sie 10 bis 70 Vol.-% des Materials ausmachen. Der Deutlichkeit halber sei hier angemerkt, dass auch ein Stahltyp als Basismaterial dienen kann.
MMC-Materialien haben höchst interessante Eigenschaften, die je nach Anwendungsbereich weiter adaptiert werden können, so dass sie Vorteile dahingehend bieten, dass die Teile leichter, stärker, steifer gemacht wird und bessere Ermüdungseigenschaften besitzt, als mit konventionellen Werkstoffen in dem spezifischen fraglichen Anwendungsbereich erzielt werden kann.
Ein erheblicher Nachteil in Verbindung mit der Verwendung von MMC-Materialien ist der, dass sie sich nur sehr schwer zerspanen lassen. Zum Herstellen eines Teils aus MMC-Material kommen gewöhnlich Verfahren zur Anwendung, bei denen das Teil zu einer Form gegossen wird, die der Endform des Teils sehr ähnlich ist. Ein weiteres Verfahren beinhaltet die Verwendung eines geschmiedeten Blocks oder einer stranggepressten Stange, so dass eine Funkenerosionsbearbeitung der Oberfläche und konventionelle Schneidtechniken angewendet werden können, um die Endform des Teils zu erzeugen. Es wurden Versuche unternommen, z.B. Pleuelstangen für Krafträder mittels solcher konventioneller Herstellungs- und Zerspanungsmethoden zu erzeugen. Auf diese Weise wird das Ziel der Erzeugung des gewünschten Teils mit seinen gewünschten Eigenschaften wie z.B. geringeres Gewicht erreicht, und die Verwendung solcher Pleuelstangen in einem Motor führte zu einem Motor, der leichter dreht und weniger vibriert. Das Problem besteht jedoch darin, dass die Kosten der Erzeugung von Motorteilen mit konventionellen Mitteln äußerst hoch waren, so dass der Einsatz auf Bereiche begrenzt war, in denen Kosten von geringerer Bedeutung waren.
Eine Rehe von Patenten, dokumentieren verschiedene Methoden zum Fertiggestalten von Teilen auf der Basis von MMC-Materialien, Die US-A-5 765 667 kann als ein Beispiel für ein solches Patent angeführt werden, bei dem ein Verfahren zur Herstellung eines Teils, in diesem Fall einer Bremsscheibe, durch Gießen zu einem Format beschrieben wird, das der Form des fertigen Teils möglichst ähnlich ist, um, wie deutlich beschrieben ist, die Notwendigkeit für ein maschinelles Schneiden weitestgehend zu vermeiden. Es wird für die Fachperson offensichtlich sein, die Notwendigkeit für Schneidvorgänge zu vermeiden, da MMC-Material, wenn es z.B. aus einer Aluminiumbasis und Verstärkungspartikeln aus Siliciumcarbid besteht, genau die Substanzen enthält, die gewöhnlich zum Schleifen von Schneidwerkzeugen verwendet werden. Die in dem MMC-Material eingebetteten Siliciumcarbidpartikel haben einen destruktiven Einfluss auf Schneidwerkzeuge, wenn konventionelle Schneidmethoden zum Einsatz kommen, da die Kanten der Schneidwerkzeuge durch die Schleifpartikel in dem Verbundstoff schnell abnutzen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die WO-A-0029151, die zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht war, stellt ein Verfahren vor, das zeigt, dass MMC-Materialien mit HSM (High-Speed Machining) zerspant werden können, und dieses verfahren wurde bei der Herstellung von Produkten in Bezug auf die vorliegende Erfindung eingesetzt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ventilteilen aus MMC-Material, bei dem die Teile durch Strangpressen eines Blocks aus MMC-Material gebildet werden, um eine Stange mit einem Profil herzustellen, dessen Querschnitt im Wesentlichen dem des fertigen Teils entspricht. Die Teile werden dann durch Hochgeschwindigkeitszerepanung (HSM) wie unten und in der WO-A-0029151 definiert abgeschnitten.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein partikelverstärkter Metall-Matrix-Verbundstoff (MMC) auf Leichtmetallbasis als Strukturmaterial verwendet. Mit Hilfe dieses Materials können die Eigenschaften verschiedener Teile durch eine geeignete Wahl der Matrixmaterialbasis, von Typ und Volumenanteil der Verstärkungsphase sowie des Herstellungsverfahrens maßgeschneidert werden. In dem Fall, dass das Teil ein Kipphebel ist, werden geringes Gewicht und hohe Ermüdungsfestigkeit benötigt, und auch die Verschleißbeständigkeit muss hoch sein. Die Hochtemperaturfestigkeit ist besser als beispielsweise die von Aluminiumlegierungen. Es steht derzeit eine Reihe von MMC-Materialien zur Verfügung, und einige von ihnen werden als für relevante Anwendungen geeignet gehalten. Das für Teile verwendete MMC-Material wie oben beschrieben sollte vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung wie z.B. dem Basismaterial mit einer Verstärkungsphase bestehend aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder Borcarbid bestehen.
Zusätzliche Vorteile der Verwendung von MMC-Materialien in den oben genannten Teilen werden erhalten, da ein hohes Elastizitätsmodul zu einem starren Design beiträgt, während das geringe Aluminiumgewicht beibehalten bleibt. Eine hohe Abriebbeständigkeit reduziert auch den Teileverschleiß.
Die Verwendung von MMC-Materialien in Teilen des oben genannten Typs bietet somit bedeutende Gelegenheiten zur Verbesserung in Bereichen, die in der Kfz-Industrie von Bedeutung sind. Das Preisniveau für MMC-Materialien ist jedoch, und dies wird auch wohl so bleiben, weitaus höher (um einen Faktor von etwa 10) als das Preisniveau für die derzeit verwendeten Materialien. Es werden fortschrittliche Geräte und Verfahren zum Zerspanen von MMC-Materialien benötigt. Die vorliegende Erfindung schafft jedoch Möglichkeiten für die Herstellung von Teilen auf eine Weise, die möglichst wenig Materialverbrauch und Zerspanungsaufwand erfordert. Das beschriebene Verfahren zur Herstellung von Teilen durch Abschneiden von einer stranggepressten Stange mit Hochgeschwindigkeitszerspanung ermöglicht es, Teile aus MMC in größeren Serien mit rentablen Produktionsverfahren herzustellen, was bisher nicht möglich war.
Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die MMC-Materialien ein optimiertes Ventilmechanismuedesign ermöglichen, das durch Wählen der verwendeten Materialien und der geometrischen Konfiguration auf der Basis der Anforderungen realisiert wird, die für die fragliche Motoranwendung aufgestellt wurden, d.h. ob der Motor beispielsweise für ein Kraftrad, ein Auto, einen Rennwagen, ein Boot, einen Lkw, eine Arbeitsmaschine usw. beabsichtigt ist. So bieten beispielsweise Kipphebel und Nocken aus MMC auf Aluminiumbasis im Allgemeinen die folgenden Vorteile im Vergleich zu entsprechenden Teilen aus anderen Materialien:

– in Bezug auf Stahl: geringere Masse bessere Wärmeleitung
– in Bezug auf Titan: geringere Masse höhere spezifische Steifigkeit bessere Verschleißbeständigkeit bessere Wärmeleitung
– in Bezug auf Aluminium: höhere Steifigkeit höhere Streckgrenze höhere Ermüdungsfestigkeit bessere Anpassung an thermische lineare Ausdehnung von Stahl bessere Verschleißbeständigkeit bessere Hochtemperaturfestigkeit
– in Bezug auf Faserverbundstoffe: geringerer Preis, isotroge Eigenschaften, lineare Wärmeausdehnung wie die von Stahl in einem verbundenen Motorteil, bessere Wärmeleitung, bessere Wärmebeständigkeit,

Die obigen Aussagen in Bezug auf die Verwendung von MMC-Teilen gelten für alle Typen von Transportmitteln, d.h. nicht nur in der Kfz-Industrie, sondern in einem ebenso großen Ausmaß z.B. in Flugzeugen und Hubschraubern.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Stange aus MMC-Material, von der Nockenstößel für einen Ventilmechanismus abgeschnitten werden.
2 zeigt eine Stange aus MMC-Material, von der Kipphebel für einen Ventilmechanismus abgeschnitten werden.
BESCHREIBUNG VON AUSGESTALTUNGEN
Es wird nachfolgend eine Reihe von beispielhaften Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Bei der Herstellung eines Teils aus MMC-Material für die Verwendung im Ventilmechanismus eines Verbrennungsmotors wie oben gesagt wird ein Verfahren eingesetzt, in dem das Teil durch Strangpressen eines Stücks des gewählten MMC-Materials zu einer Stange 1, 2 mit einem Profil erzeugt wird, dessen Querschnitt im Wesentlichen dem des fertigen Teils 3, 4 entspricht. Das Teil 3, 4 wird dann aus der atranggepressten Stange 1, 2 durch Schneiden mit Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSM) wie nachfolgend und in der WO-A-0029151 definiert ausgeschnitten. Das Schneiden erfolgt durch Fräsen oder durch eine Kombination aus Abschneiden und Fräsen.
1 zeigt als Beispiel eine Nocke (sic) 3, die von der Stange 1 abgeschnitten wird, die über ihre gesamte Länge den Querschnitt der Nocke (sic) aufweist.
2 zeigt auf entsprechende Weise einen Kipphebel 4, der von der Stange 2 abgeschnitten ist, wobei die Gesamtheit dieser Stange 2 einen Querschnitt hat, der derselbe ist wie der Querschnitt durch den Kipphebel 4.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem verfahren des Bearbeitens eines Blocks aus MMC-Material mittels so genannter Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSM = High Speed Machining), und mit diesem Verfahren kann einem Teil seine endgültige Form direkt aus dem Block gegeben werden. Der Block kann geschmiedet oder gegossen werden oder aus einem Stück stranggepresster Stange oder aus einem auf eine andere Weise produzierten Rohmaterial bestehen.
Hochgeschwindigkeitszerspanung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug extrem hohe Drehzahlen in Bezug auf den bearbeiteten Block im Vergleich zu konventionellen Techniken erzielt. Die Schneidwerkzeuge, die in diesem Zusammenhang relevant sind, sind vorzugsweise Fräswerkzeuge und Bohrer.
In diesem Dokument soll der Begriff „Hochgeschwindigkeitszerspanung" (HSM) ein Verfahren bedeuten, das sich von konventionellen Bearbeitungsmethoden unterscheidet. Dieser Begriff wird aber auch zuweilen zum Bezeichnen von konventioneller Zerspanung benutzt, wobei neue Methoden entwickelt werden, um die Grenzen konventioneller Zerspanungsdaten zu erweitern. Aber der Begriff hat hierin nicht diese Bedeutung.
HSM ist gekennzeichnet durch:

– äußerst hohe Schneidgeschwindigkeiten
– eine hohe Scherdehnungsrate (die Fähigkeit, ein Stück von dem Block abzutrennen);
– eine sehr hohe Leistungsdichte wird vor dem Schnitt erzielt (typische Werte: MW/mm³);
– äußerst hohe örtliche Temperaturen herrschen während des Schneidens am Schnittpunkt vor;
– die Späne fließen ab, ohne mit der Schnittfläche in Kontakt zu kommen;
– die Schneidkräfte neigen asymptotisch in Richtung null.

Die folgenden Beispiele für hohe Schneidgeschwindigkeiten in Verbindung mit dem Zerspanen verschiedener Substanzen können notiert werden:

– Aluminium: ca. 3000 m/min (konventionell ca. 100–400 m/min)
– Titan: ca. 15.000 m/min (konventionell ca. 15–100 m/min).

Die Wähl der richtigen Schneidgeschwindigkeit zum Erzeugen der obigen Bedingungen, die HSM charakterisieren, hängt somit gänzlich von dem zu zerspanenden Material ab. Die Schneidkräfte können in Verbindung mit Versuchen studiert werden, um die optimale Schneidgeschwindigkeit für HSM bei einem neuen Material zu ermitteln. Diese Kräfte neigen asymptotisch in Richtung null, wenn die Kriterien für HSM-Bedingungen erfüllt werden. Somit lässt sich sagen, dass HSM-Bedingungen dann vorherrschen, wenn die Schneidkräfte abnehmen. Unter solchen Bedingungen kann dann eine optimale Schneidgeschwindigkeit für das zerspante Material ermittelt werden. Beim konventionellen Zerspanen nehmen die Schneidkräfte mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit zu.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von HSM ist, dass die Späne den größten Teil, typischerweise etwa 80%, der am Schnittpunkt erzeugten Wärme abführen, so dass ein Werkstück durch die beim Zerspanen erzeugte Wärme weitgehend unbeeinflusst bleibt.
Es hat sich gezeigt, dass HSM unerwartet gute Ergebnisse erbringt, wenn es auf MMC-Materialien angewendet wird. Trotz des hohen Anteils an Schleifpartikeln in einem solchen Material wurde gefunden, dass die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe lange Zeit beibehalten, so als wenn sie von den Schleifpartikeln im MMC-Material unbeeinflusst blieben. Der Grund hierfür ist bisher noch nicht völlig verstanden, da der interne Vorgang, d.h. was tatsächlich während des Zerspanens im MMC-Material an der Schnittstelle passiert, noch nicht völlig verstanden ist. Eine Theorie ist, dass ein von dem Material abgeschnittener Span in einem kleinen Bereich unmittelbar vor der Kante des Schneidwerkzeugs zu einem gewissen Grad in einen flüssigen Zustand gebracht wird und dass die in dem Material in der Form von beispielsweise Siliciumcarbid, Borcarbid oder Aluminiumoxid eingebetteten Schleifpartikel im geschmolzenen Zustand abgeführt werden und somit nicht direkt mit der Schneidfläche in Kontakt kommen. Dies würde erklären, warum die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe beibehalten, im direkten Gegensatz zu dem, was bei konventionellen Schneidvorgängen geschieht.
Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um das Verfahren gemäß der Erfindung zu beurteilen. Unter anderem wurde ein Flansch aus einem rohen Block aus einem MMC Material hergestellt, wobei eine Fräse zum Entfernen des gesamten Materials von dem rohen Block um den verbleibenden Flansch verwendet wurde. Der Flansch war in diesem Fall L-förmig, mit einer Enddicke von 1 mm Material, und die Seiten des Flansches wurden jeweils mit 45 und 15 mm gemessen. Die beim Zerspanen in diesem Beispiel verwendeten Werte waren wie folgt: Spindeldrehzahl 15.000 UpM, Schneidgeschwindigkeit 565 m/min und Vorschubrate 300 mm/min. Die Erzeugung des Flansches dauerte 2,5 Minuten. Die Werkzeuglebensdauer des Schneidwerkzeugs wurde in Stunden gemessen. Der Anteil an SiC im Material war in diesem Beispiel 40%.
Es wurden auch Versuche durchgeführt, bei denen Löcher in MMC-Material mit 40% SiC-Gehalt gebohrt wurden. Eine Reihe von Löchern wurde mit 6,9 mm HM-Bohreinsätzen mit einer Spindeldrehzahl von 15.000 UpM und einer Vorschubrate von 3000 mm/min gebohrt. Die Lebensdauer des Werkzeugs war derart, dass ein Bohrer zum Bohren von 1000 Löchern verwendet werden konnte.
Die in Verbindung mit der Zerspanung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen guten Ergebnisse wurden mit Schneidwerkzeugen aus beschichtetem hartem Material mit interner Rohrleitungskühlung und Diamantwerkzeugen erzeugt. Wo Diamantwerkzeuge zum Einsatz kamen, da sind die Lebensdauern der Werkzeuge bei einem Carbidgehalt von bis zu 40% im MMC-Material lang. Gute Ergebnisse werden weiterhin bei einem Carbidgehalt von bis zu 70% im MMC-Material erhalten.
Das erfindungsgemäße verfahren ist auf alle Teiletypen anwendbar, die aus MMC-Materialien in Fällen hergestellt werden sollen, bei denen ein maschinelles Schneiden im Hinblick auf die Endform des Teils als durchführbar angesehen wird. Das Verfahren ist somit nicht auf die beschriebenen Ausgestaltungen begrenzt, sondern kann im Rahmen des Umfangs der beiliegenden Ansprüche in Verbindung mit jedem Teil zum Einsatz kommen, bei dem die Wahl von MMC als Material von Vorteil ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Teils wie z.B. eines Kipphebels (4), eines Nockenstößels (3) oder einer Nocke für Ventilmechanismen für Verbrennungsmotoren durch Schneiden eines Metallmatrix-Verbundstoffs (MMC), der 10 bis 70 Vol.-% Keramikmaterial in der Form von Faserpartikeln enthält, mit Hochgeschwindigkeitszerspanung, so dass eine sehr hohe Leistungsdichte vor dem Schnitt erzielt wird und die Schneidkräfte asymptotisch in Richtung null tendieren, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Block aus MMC-Material zu einer Stange (1, 2) stranggepresst wird, die ein Querschnittsprofil hat, das im Wesentlichen mit dem Querschnittsprofil des fertigen Teils (3, 4) zusammenfällt; – separate Blöcke für die jeweiligen Teile (3, 4) erhalten werden, indem von der Stange (1, 2) durch Schneiden mit Hochgeschwindigkeitszerspanung abgeschnitten wird; – das Teil durch Schneiden mit Hochgeschwindigkeitszerspanung zu seiner Endform zerspant wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gakennzeichnet, dass das Abschneiden von der Stange mit einem Seitenfräscutter oder einem Sägeblatt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Gestaltung des separaten Blocks für das beabsichtigte Teil durch Fräsen durchgeführt wird.