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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Lagerverstärkungen
für Wellen,
die auf Lagern in einem Gehäuse
aus Leichtmetallguss, z. B. Motorblock, Getriebegehäuse oder
entsprechendes, angebracht werden, bei dem Einsätze, die die Lagersitze für die Wellen
bilden, in dem Leichtmetallgehäuse
eingegossen werden, wobei die Einsätze aus einem MMC-Werkstoff
(Metall-Matrix-Verbund) eines Typs hergestellt sind, bei dem das
Grundmetall des MMC-Werkstoffes das gleiche ist wie das Grundmetall,
das den Hauptbestandteil im Werkstoff, der das Leichtmetallgehäuse bildet,
ausmacht.
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STAND DER
TECHNIK
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Um
Gewicht zu sparen, werden Motorblöcke und Zylinderköpfe in modernen
Verbrennungsmotoren oft aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Der Unterschied
hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zwischen einer Al-Legierung
von ca. 22 ppm/°K in
einem Motorblock und Stahl von ca. 12 ppm/°K z. B. in Kurbelwellen, die
in den Hauptlagern im Motorblock eingebaut sind, hat Nachteile hinsichtlich
der Fähigkeit
zur Folge, die Kontrolle über
das in den Kurbelwellenlagern vorhandene radiale Spiel zu haben.
Weil sich der Lagersitz in dem Aluminiumblock bei niedrigen Temperaturen
mehr zusammenzieht als die Stahlwelle, muss ein ausreichendes radiales Spiel
vorhanden sein, um zu verhindern, dass sich die Welle festfrisst.
Dieses Spiel erhöht
sich bei Betriebstemperatur des Motors. Es kann zu Schwierigkeiten
bei der Aufrechterhaltung eines zweckmäßigen Schmierfilms am Lager
innerhalb des gesamten Temperaturbereichs des Motors, d. h. –30°C bis +150°C führen. Das
erhöhte
radiale Spiel bei höheren
Temperaturen kann außerdem
Kurbelwellenschwingungen verursachen. Im gegenwärtigen Stand der Technik wendet
man sich diesem Problem dadurch zu, dass Einsätze aus einem Werkstoff auf der
Basis von Eisen in den Block an den Lagersitzen eingegossen werden.
Jedoch ist diese Lösung
belastet durch Probleme in Form von z. B.:
- – nicht
ausreichender Bindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen,
- – Unterschieden
hinsichtlich der Bearbeitbarkeit,
- – Unverträglichkeit
in Verbindung mit einer Wiederverwendung.
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Unter
der Motorhaube eines modernen Autos sind die Temperaturen hoch,
und sobald der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann
auch das Getriebe Temperaturen ausgesetzt sein, die im Bereich von –30°C bis +150°C liegen.
Um Gewicht zu sparen, werden Al-Legierungen in Getriebegehäusen und
anderen ähnlichen
Bauteilen in einem unbegrenzt zunehmenden Umfang eingesetzt. Wegen
der hohen thermischen Ausdehnung, die sich bei diesen Al-Legierungen
zeigt, kann der große
Betriebstemperaturbereich zu Konstruktionsproblemen in Verbindung
mit dem Zahnradspiel (Spiel zwischen Zahnradflanken) und einer Passung
in Rollenlagern in dem Getriebegehäuse (bezieht sich auf die das
Lager festhaltende Passung zwischen Gehäuse und Lager) führen. Bei
niedrigen Temperaturen sind die Mittenabstände zwischen den in dem Getriebegehäuse angeordneten
Wellen gering, was es erforderlich macht, dass genügend Eingriffsspiel
zwischen den Antriebszahnrädern
auf zwei unterschiedlichen Wellen vorhanden ist, wenn diese Antriebszahnräder in gegenseitigen
Eingriff gebracht werden. Zwischen den Zahnrädern kann jedoch nicht so viel
Spiel sein, was zu Geräuschen
und Abnutzung bei hohen Betriebstemperaturen führt, wenn der Mittenabstand zwischen
diesen zwei Wellen am größten ist.
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In ähnlicher
Weise benötigen
die Rollenlager für
die Wellen in dem Getriebegehäuse
bei niedriger Temperatur genügend
Spiel, während
gleichzeitig die Größe des vorhandenen
Spiels bei Betriebstemperatur des Getriebes nicht zu groß sein darf.
Dies ist schwierig zu erreichen, während gleichzeitig die Forderung
erfüllt
sein muss, dass die Lager ihre Passung in dem Gehäuse über den
gesamten Temperaturbereich aufrechterhalten. Für dieses Problem gibt es keine
bekannte Lösung.
Es kann erwartet werden, dass dieses Problem schlechter wird, weil
in Zukunft die Temperaturen unter Motorhauben von Fahrzeugen zur
gleichen Zeit höher
werden, wenn hinsichtlich des Wirkungsgrades der Kraftübertragung
höhere
Forderungen gestellt werden. Die Forderung nach geringerem Kraftstoffverbrauch
des Fahrzeugs bewirkt in beiden Fällen den Anstoß.
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In
der nachstehend beschriebenen Erfindung wird die Verwendung von
MMC-Werkstoff vorgeschlagen. Kommerzielles Interesse an Strukturwerkstoffen
des im Allgemeinen als MMCs bekannten Typs nahm während der
1990er Jahre zu. MMC-Werkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die aus
einem Matrixmaterial in Form eines Metalls normalerweise ein Leichtmetall
wie Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen davon bestehen,
das durch die Beimischung von Fasern oder Partikeln in Form von
keramischen Substanzen wie Siliziumkarbid, Borkarbid oder Aluminiumoxid
verstärkt
wird. MMCs können
auch aus durch Leistungsmetallurgie erzeugtem und mit Titankarbid
verstärktem
Stahl bestehen. MMC-Werkstoffe zeigen höchst interessante Eigenschaften,
die in Abhängigkeit
vom Anwendungsbereich weiter angepasst werden können, wobei sich Vorteile dadurch
bieten, dass das Bauteil leichter, stärker, und steifer gemacht werden
kann und bessere Ermüdungseigenschaften
besitzt, die erzielt werden können,
indem herkömmliche
Werkstoffe mit dem in Frage kommenden speziellen Anwendungsbereich
verwendet werden.
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Ein
mit der Verwendung von MMC-Werkstoffen verbundener erheblicher Nachteil
besteht darin, dass sie maschinell sehr schwierig zu bearbeiten sind.
Um ein aus MMC-Werkstoff
bestehendes Bauteil zu schaffen, werden normalerweise Verfahren
genutzt, bei denen das Bauteil in eine Form gegossen wird, die der
endgültigen
Form des Bauteils sehr ähnlich
ist. Ein anderes Verfahren bezieht die Verwendung eines geschmiedeten
Vorblocks oder eines Stückes
einer Profilstange ein, so dass das elektrochemische funkenerosive
Abtragen der Oberfläche
und herkömmliche
Schneidtechniken verwendet werden können, um die endgültige Form
des Bauteils zu erzeugen. Es sind Versuche unternommen worden, um z.
B. Pleuelstangen für
Motorräder
durch solche normalen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren zu produzieren.
Auf diese Weise wurde das Ziel zur Schaffung des gewünschten
Bauteils und seiner erwünschten
Eigenschaften wie geringeres Gewicht erreicht, und die Verwendung
solcher Pleuelstangen in einem Motor führte zu einem Motor, der schneller läuft und
weniger in Schwingungen versetzt wird. Jedoch besteht das Problem
darin, dass die Kosten zur Herstellung von Motorbauteilen durch
herkömmliche Mittel
extrem hoch geworden sind, wodurch die Verwendung auf Bereiche begrenzt
wird, bei denen Kosten von geringerer Bedeutung sind.
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Eine
Anzahl von Patenten dokumentiert verschiedene Verfahren zur endgültigen Formgebung von
Bauteilen, die auf MMC-Werkstoffen basieren.
US 5 765 667 kann als ein Beispiel
eines solchen Patents angeführt
werden, in dem ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, in
diesem Fall eine Bremsscheibe, beschrieben wird, das zu einem Format
gegossen wird, das an die Form des fertig bearbeiteten Bauteils
so nahe wie möglich
heran kommt, um die Notwendigkeit maschinellen Schneidens im größtmöglichen
Umfang zu vermeiden. Dem Fachmann ist klar, die Notwendigkeit von
Schneidprozessen zu vermeiden, da der MMC-Werkstoff, wenn er z. B.
aus einer Aluminiumbasis und verstärkenden Partikeln aus Siliziumkarbid
besteht, die reinen Stoffe enthält,
die im Allgemeinen zum Schleifen von Schneidwerkzeugen verwendet
werden. Die in dem MMC-Werkstoff
eingebetteten Siliziumkarbidpartikel besitzen eine zerstörerische
Wirkung an Schneidwerkzeugen, wenn normale Schneidverfahren genutzt
werden, da die Kanten der Schneidwerkzeuge durch die Schleifkörper im
Verbundwerkstoff schnell abgenutzt werden.
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US 5 507 258 beschreibt
einen Kolben für
einen Verbrennungsmotor, der einen verschleißfesten Ring aufweist, der
aus einer SiC-Partikel enthaltenden Aluminiumlegierung hergestellt
ist, wobei der verschleißfeste
Ring beim Gießen
des Kolbens aus Aluminiumlegierung in eine obere Ringnut gegossen wird.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführung
der Erfindung bezieht sich auf eine Lagerverstärkung für eine Welle, die in einem
Gehäuse
aus Leichtmetall wie ein Motorblock, ein Getriebegehäuse oder
das entsprechende eingebaut ist, bei der Einsätze, welche die Lagersitze
für die
Wellen bilden, in dem Leichtmetallgehäuse eingegossen werden, wobei
die Einsätze
aus einem MMC-Werkstoff (Metall-Matrix-Verbund) eines Typs hergestellt
sind, bei dem das Grundmetall des MMC-Werkstoffs das gleiche ist
wie das Grundmetall, das den Hauptbestandteil in dem Werkstoff ausmacht,
welches das Leichtmetallgehäuse
bildet.
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Nach
einer weiteren Ausführung
der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Einsatzes
aus MMC-Werkstoff zum Gießen
in ein Leichtmetallgehäuse
beschrieben, um einen Lagersitz zu bilden und folglich eine Lagerverstärkung gemäß dem Vorhergehenden
zu erreichen, bei der die Einsätze durch
Strangpressen eines Vorblocks aus einem MMC-Werkstoff erzeugt werden,
um eine Stange mit einem Profil zu produzieren, dessen Querschnitt
im Wesentlichen dem des fertig bearbeiteten Einsatzes entspricht.
Die Einsätze
werden anschließend
aus der stranggepressten Stange quer geschnitten, indem sie durch
eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, HSM, wie nachstehend definiert,
geschnitten werden. Andere Verfahren, wie z. B. Wasserschneiden,
können
ebenfalls genutzt werden, um das Stangenmaterial zu getrennten Einsätzen quer
zu schneiden.
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Durch
Verwendung eines Metall-Matrix-Verbundes, MMC, auf Aluminiumbasis
ist es in gegossenen Einsätzen
für die
Lagersitze in einem aus Aluminiumlegierung bestehenden Motorblock
möglich, eine
thermische Ausdehnung ähnlich
der des Stahls, der in der Welle am Lagersitz verwendet wird, mit Werkstoffen
zu erreichen, die mit dem Werkstoff im Motorblock hinsichtlich der
Verträglichkeit
während des
Gießens
und einer künftigen
Wiederverwendung des Motorblocks übereinstimmen, und die mit ähnlichen
Techniken maschinell bearbeitet werden können.
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Zusätzliche
Vorteile, die durch die Verwendung von MMC-Werkstoffen an den zuvor
erwähnten Punkten
geboten wurden, bestehen darin, dass ihr hoher Elastizitätsmodul
zu einer robusten Konstruktion beiträgt, die das geringe Gewicht
von Aluminium sichert. Die hohe Verschleißfestigkeit reduziert eine Beschädigung durch
Verschleiß zwischen
dem Einsatz und der äußeren Fläche des
Lagergehäuses.
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Die
beschriebene Technik ist natürlich
auf Lagersitze in Leichtmetallgehäusen für andere Wellentypen wie Ausgleichswellen
und Nockenwellen in Motorblöcken
oder Wellen in Getrieben anwendbar.
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Ein
noch weiterer Vorteil der Verwendung von gegossenen Einsätzen, die
aus einem MMC-Werkstoff hergestellt sind, wie Lagerverstärkungen
in Leichtmetallgehäusen
gemäß dem Vorhergehenden,
ist, dass die Lage der Wellenachse dadurch beibehalten wird und
das Spiel zwischen Welle und Lagergehäuse reduziert wird. Dies erweitert
außerdem
die Lebensdauer des zum Schmieren der Lager verwendeten Öls.
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Ein
Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in zukünftigen
Fahrzeugen besteht darin, Aluminium durch Magnesium als dem Hauptbestandteil
bei Leichtmetallgehäusen
in Verbrennungsmotoren und Getrieben zu ersetzen. Die Tatsache,
dass der lineare Ausdehnungskoeffizient von Magnesium sogar höher als
der von Aluminium ist und dass der Elastizitätsmodul von Magnesium viel
kleiner als der von Aluminium ist, bewirkt eine noch größere Rechtfertigung
der Verwendung von Einsätzen
aus MMC, in diesem Fall als Lagerverstärkungen. Tatsächlich könnte die
Verwendung von MMC-Einsätzen
gemäß dieser
Ausführung
der Erfindung das sein, was es möglich
macht, Leichtmetalle auf Magnesiumbasis in Motorblöcken für Verbrennungsmotoren
und in Getriebegehäusen
einzusetzen.
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Die
vorhergehenden Erläuterungen,
die die Verwendung von MMC-Einsätzen
betreffen, lassen sich auf alle Arten von Transportmitteln, d. h.
nicht nur innerhalb der Automobilindustrie, sondern auf einen gleichgroßen Umfang
z. B. in Flugzeugen und Hubschraubern anwenden.
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BESCHREIBUNG
VON ABBILDUNGEN
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1 zeigt
einen Motorblock für
einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Verstärkung des Lagersitzes für die Kurbelwelle
in den Werkstoff des Motorblocks gegossen worden ist;
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2 zeigt
den unteren Teil eines Motorblocks, d. h. die Kurbelwellenlagerschale,
bei der dargestellt ist, dass bei allen Lagersitzen aus MMC-Werkstoff
hergestellte Einsätze
eingegossen sind;
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3 zeigt
einen zweiteiligen Einsatz aus MMC-Werkstoff zum Eingießen in ein
Leichtmetallgehäuse,
um einen Lagersitz für
eine rotierende Welle zu verstärken.
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BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGEN
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Nachstehend
wird mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen eine Anzahl von
beispielhaften Ausführungen
nach der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
das Beispiel eines Motorblocks für
einen Verbrennungsmotor. Es ist hier davon auszugehen, dass der
Motorblock aus irgendeinem Leichtmetall entweder Aluminium oder
Magnesium oder aus irgendeiner Leichtmetalllegierung, die auf einem
solchen Leichtmetall basiert, hergestellt ist. In dem hier beschriebenen
Beispiel ist davon auszugehen, dass der Motorblock aus Aluminium
oder aus einer Legierung hergestellt ist, die Aluminium als ihren Hauptbestandteil
enthält.
Im gezeigten Beispiel ist der Motorblock in zwei Teile teilbar,
einen unteren Teil, der als die Kurbelwellenlagerschale 1 bezeichnet
ist, und einen oberen Teil, der hier als der Zylinderblock 2 bezeichnet
ist. Im Motorblock ist eine Kurbelwelle 3, wie in 5 dargestellt, in Lagersitzen entlang
der Kurbelwelle 3 eingesetzt. Die auf der Kurbelwelle sitzenden
Kolben sind als 4 bezeichnet.
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Es
ist vorteilhaft, die Lagersitze für Lager zu verstärken, in
denen rotierende Wellen im Motorblock in Sitzen eingebaut sind,
die in dem Werkstoff des Motorblocks liegen. Aus den oben angegebenen Gründen wird
gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, dass diese Verstärkungen
aus Einsätzen 5 bestehen, die
aus einem MMC-Werkstoff hergestellt sind. Die Einsätze (3)
sind aus einem MMC-Werkstoff hergestellt, der auf dem gleichen Grundmetall
basiert wie das, das dem Motorblock zugrunde gelegt ist, d. h. in diesem
Fall Aluminium. Dies bedeutet, dass der MMC-Werkstoff in diesem
Beispiel Aluminium als sein Grundmaterial aufweist, während andererseits der
verstärkende
Werkstoff aus einem beliebigen keramischen Material in Partikelform,
Partikel oder Fasern besteht, der z. B. aus in den MMC-Werkstoff
gemischtem Siliziumkarbid, Bornitrid oder Aluminiumoxid besteht,
wobei das Verhältnis
von keramischem Material 10 bis 70 Vol.-% des MMC-Werkstoffs beträgt. Dadurch
wird eine gute Anpassung des Materials zwischen dem Motorblock und
den Einsätzen
erzielt. Die Einsätze
werden in den Motorblock eingegossen, wenn er geformt wird. In diesem
Zusammenhang ist es günstig,
wie in 3 dargestellt, die Einsätze 5 als Halbringe
herzustellen, woraufhin die Einsatzhälften 5a und 6b entsprechend
in die oberen und unteren Teile des Leichtmetallgehäuses, aus
denen der Motorblock besteht, gegossen werden. In diesem Beispiel
ist folglich eine Gruppe von Einsatzhälften 5a in die Kurbelwellenlagerschale 1 eingegossen,
während
die entsprechende Gruppe von Einsatzhälften 5b in den Zylinderblock 2 eingegossen
ist. Wie die Abbildungen zeigen, sind die Oberflächen der Einsätze 5 auf
der Seite der Einsätze
ausgedehnt, die dem Werkstoff des Leichtmetallgehäuses, in
das die Einsätze 5 eingegossen
sind, gegenüber
liegt und diesen berührt.
Dies erzeugt eine große
Kontaktfläche
zwischen dem Einsatz 5 und dem Werkstoff. Die eine Einsatzhälfte kann
ein höheres prozentuales
Volumen der Verstärkung
aufweisen, die der Lagerschale am nächsten liegt, und kann in der
Fläche,
die dem Werkstoff des Leichtmetallgehäuses gegenüber liegt, nicht verstärkt/wenig
verstärkt
sein. Dies kann z. B. durch Koextrusion erreicht werden.
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Das
Prinzip der Erfindung, wie es einen auf dem Leichtmetall Aluminium
basierenden Motorblock betrifft, ist im Beispiel dargestellt. Wie
angegeben ist, kann das Leichtmetallgehäuse genauso gut aus einem Getriebegehäuse oder
einem anderen Ausrüstungs gehäuse bestehen.
Folglich kann das Grundmaterial in den Einsätzen 5 durch Magnesium
ersetzt werden, wenn das Leichtmetall im Gehäuse, in welches die Einsätze eingegossen
werden, Magnesium als ihr Grundmaterial enthält.
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Beim
Herstellen eines aus MMC-Werkstoff bestehenden Einsatzes zum Eingießen in ein
Leichtmetallgehäuse
zur Herstellung eines Lagersitzes und dadurch zur Erzielung einer
Lagerverstärkung
gemäß dem Vorhergehenden
wird ein Verfahren genutzt, bei dem die Einsätze durch das Stranggießen eines
Vorblocks des ausgewählten
MMC-Werkstoffs zu einem Stangenprofil, dessen Querschnitt im Wesentlichen
dem des fertig bearbeiteten Einsatzes entspricht, erzeugt werden.
Die Einsätze
werden anschließend
aus der stranggegossenen Stange quer geschnitten, indem durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung,
HSM, wie nachstehend definiert, geschnitten wird.
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Wenn
Einsätze
zum Eingießen
in Leichtmetallgehäuse,
die entlang einer Trennlinie wie gemäß 1 geteilt
sind, hergestellt werden, ist es geeignet, eine Stange mit einem
Profil wie die Einsatzhälfte 5 Art
in 3 zu extrudieren. Anschließend ist es notwendig, nur
das Stangenmaterial zu Einsätzen
von geeigneter Breite quer zu schneiden. Das Querschneiden kann
mit Fräswerkzeugen
wie zum Beispiel Scheibenfräser,
Sägeblätter oder
Bandsägen durchgeführt werden.
Wie angemerkt wird, kann auch Wasserschneiden verwendet werden.
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Eine
Ausführung
der Erfindung basiert auf einem Verfahren zur Bearbeitung eines
Vorblocks aus MMC-Werkstoff durch das, was hier als HSM oder Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
bezeichnet wird, wobei einem Bauteil seine endgültige Form direkt aus dem Vorblock
mit Hilfe dieses Verfahrens gegeben werden kann. Der Vorblock kann
geschmiedet, gegossen oder gesintert sein, oder kann aus einem Stück einer
stranggegossenen Stange oder eines Ausgangsmaterials bestehen, das
auf andere Weise hergestellt wurde.
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Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug äußerst hohe
Drehzahlen in Bezug auf den maschinell bearbeiteten Vorblock im
Vergleich zu herkömmlichen
Techniken erzielt. Die Schneidwerkzeuge sind in diesem Zusammenhang
vorzugsweise Fräswerkzeuge
und Bohrer, können
aber auch z. B. aus Sägeblättern, Scheibenfräser, usw.
bestehen.
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In
dieser Druckschrift wird der Begriff Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
(HSM) benutzt, um ein Verfahren zu bezeichnen, das anders ist als
herkömmliche
maschinelle Bearbeitungsverfahren. So kommt es vor, dass dieser
Begriff manchmal auch verwendet wird, um eine herkömmliche
Bearbeitung zu bezeichnen, bei der neue Verfahren entwickelt sind,
um die Grenzen von Daten herkömmlicher
maschineller Bearbeitung nach oben zu schieben. Das ist nicht der
Sinn des Begriffes, wie er hier verwendet wird. HSM ist gekennzeichnet
durch:
- – äußerst hohe
Schneidgeschwindigkeiten,
- – hohes
Verhältnis
der Dehnung durch Schubverformung (Fähigkeit zum Abtrennen vom Vorblock),
- – vor
dem Schnitt wird eine sehr hohe Leistungsdichte erzielt (typische
Werte: MW/mm3)
- – während des
Prozesses der Schnittherstellung herrschen an dem Schnittpunkt extrem
hohe örtliche
Temperaturen vor,
- – die
Schnitte fließen,
ohne mit dem Schnitt in Kontakt zu kommen
- – die
Schnittkräfte
tendieren asymptotisch zu Null hin.
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Zu
den folgenden Beispielen der mit dem maschinellen Bearbeiten verschiedener
Stoffe verbundenen hohen Schnittgeschwindigkeiten kann angemerkt
werden:
- – Aluminium:
ca. 3000 m/min (üblicherweise
ca. 100 bis 400 m/min),
- – Titan:
ca. 15.000 m/min (üblicherweise
ca. 15 bis 100 m/min).
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Das
Herausfinden der richtigen Schnittgeschwindigkeit zur Herstellung
der vorhergehenden Bedingungen, die HSM kennzeichnen, hängt somit völlig von
dem maschinell zu bearbeitenden Werkstoff ab. Die Schnittkräfte können in
Verbindung mit der Prüfung,
die optimale Schnittgeschwindigkeiten für HSM eines neuen Werkstoffs
zu bestimmen, untersucht werden. Diese Kräfte tendieren asymptotisch
zu Null hin, weil die Kriterien für HSM-Bedingungen erfüllt sind.
So kann gesagt werden, dass HSM-Bedingungen vorherrschen, wenn sich
die Schneidkräfte
verringern. Unter solchen Bedingungen bleibt dann übrig, eine
optimale Schnittgeschwindigkeit für den maschinell zu bearbeitenden Werkstoff
zu bestimmen. Beim herkömmlichen
maschinellen Bearbeiten nehmen die Schneidkräfte mit den höher werdenden
Schnittgeschwindigkeiten zu.
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Ein
noch weiterer Vorteil der Verwendung von HSM ist, dass die Späne den Hauptteil,
typischerweise etwa 80% der am Schneidpunkt erzeugten Wärme aufnehmen,
so dass ein Werkstück
durch die während
der maschinellen Bearbeitung erzeugten Wärme weitgehend unbeeinflusst
gelassen wird.
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Es
wurde dargestellt, dass HSM unerwartet gute Ergebnisse erbringt,
wenn sie an MMC-Werkstoffen eingesetzt wird. Trotz des hohen Verhältnisses
von Schleifkörpern
in einem solchen Werkstoff wurde herausgefunden, dass die Schneidwerkzeuge ihre
Schärfe
eine lange Zeit behalten, da sie durch die Schleifmittel in dem
MMC-Werkstoff unbeeinflusst sind. Der Grund dafür ist nicht völlig erläutert worden,
da der interne Prozess, d. h. was tatsächlich mit dem MMC-Werkstoff
am Schneidepunkt während der
maschinellen Bearbeitung passiert, nicht völlig verständlich ist. Die eine Theorie
ist, dass ein aus dem Werkstoff geschnittener Span in einem gewissen
Umfang in einen flüssigen
Zustand von einem kleinen Bereich unmittelbar vor der Kante des Schneidwerkzeugs
gebracht wird, und dass die in dem Werkstoff eingebetteten Schleifkörper in
Form von z. B. Siliziumkarbid, Borkarbid oder Aluminiumoxid in dem
geschmolzenen Werkstoff weggetragen werden und folglich nicht in
direkten Kontakt mit dem Schnitt kommen. Dies könnte erklären, weshalb Schneidwerkzeuge
ihre Schärfe
behalten, was in direktem Gegensatz zu dem steht, was bei normalen Schneidvorgängen auftritt.
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Es
wurde eine Anzahl von Tests durchgeführt, um das erfindungsgemäße Verfahren
zu bewerten. Unter diesen Tests wurde ein Flansch von einem rohen
Vorblock aus einem MMC-Werkstoff hergestellt, wobei eine Fräsmaschine
genutzt wurde, um das gesamte Material von dem rohen Vorblock um den übrig bleibenden
Flansch herum zu entfernen. Der Flansch war in diesem Fall L-förmig mit
einer endgültigen
Materialdicke von 1 mm, wobei die Seiten des Flansches jeweils 45
und 15 mm gemessen haben. Die während
der maschinellen Bearbeitung verwendeten Werte waren in diesem Beispiel:
Spindeldrehzahl 15.000 U/min, Schnittgeschwindigkeit 565 m/min und
Vorschubgeschwindigkeit 300 mm/min. Es dauerte 2,5 Minuten, um den
Flansch zu erzeugen. Die Werkzeuglebensdauer des Schneidwerkzeugs
wurde in Stunden gemessen. Das Verhältnis von SiC im Werkstoff
betrug in diesem Beispiel 40%.
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Es
wurden auch Versuche durchgeführt,
bei denen Löcher
in den 40% SiC enthaltenden MMC-Werkstoff gebohrt wurden. Mit HM-Bohrern von
6,9 mm bei einer Spindeldrehzahl von 15.000 U/min und einer Vorschubgeschwindigkeit
von 3000 mm/min wurde eine Anzahl von Löchern gebohrt. Die Lebensdauer
des Bohrwerkzeugs war so, dass ein Bohrer verwendet werden konnte,
um 1000 Löcher zu
bohren.
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In
einem weiteren Beispiel wurde eine Pleuelstange direkt aus einem
stangenförmigen
Vorblock aus MMC hergestellt, der durch HSM maschinell zu seiner
endgültigen
Form bearbeitet wurde. Die Kosten einer z. B. aus MMC hergestellten
Pleuelstange sind gering, wobei sich außerdem die folgenden Vorteile
gegenüber
aus anderen Werkstoffen hergestellten Pleuelstangen bieten:
im
Verhältnis
zu Stahl: geringere Masse, bessere Wärmeleitung;
im Verhältnis zu
Titan: geringere Masse, höher
Steifigkeit, bessere Wärmeleitung;
im
Verhältnis
zu Aluminium: höhere
Steifigkeit, höhere
Streckgrenze, höhere
Dauerfestigkeit, linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
wie der von Stahl in einer verbundenen Pleuelstange;
im Verhältnis zu
Faserverbund: geringerer Preis, isotrope Eigenschaften, linearer
Wärmeausdehnungskoeffizient
wie der von Stahl in einer verbundenen Pleuelstange, bessere Wärmeleitung.
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Die
guten Ergebnisse, die in Verbindung mit der maschinellen Bearbeitung
nach dem vorgeschlagenen Verfahren erreicht wurden, wurden unter
Verwendung von Schneidwerkzeugen aus beschichtetem Hartmetall mit
innen liegendem Kühlkanal
und mit Diamantwerkzeugen erreicht. Wenn Diamantwerkzeuge verwendet
werden, ist die Lebensdauer der Werkzeuge bei Karbidgehalten von
bis zu 40% im MMC-Werkstoff hoch. Gute Ergebnisse werden auch mit
Karbidgehalten erreicht, die im MMC-Werkstoff in der Höhe von 70%
liegen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auf alle Typen von Bauteilen anwendbar, die aus MMC-Werkstoffen
in den Fällen
hergestellt werden sollen, bei denen hinsichtlich der endgültigen Form
des Bauteils maschinelles Schneiden möglich ist. Folglich ist das Verfahren
nicht auf die dargestellten Ausführungen beschränkt sondern
kann in Verbindung mit allen beliebigen Bauteilen verwendet werden,
bei denen die Wahl von MMC als Werkstoff vorteilhaft ist.