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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Verbrennungsmotorzylinderblöcken, in
denen eine vorgeformte Zylinderlaufbüchse aus einem Werkstoff in engem
Kontakt mit einem Zylinderblockkörper
aus einem anderen Werkstoff ist. Typischerweise ist der Werkstoff
der Laufbüchse
eisenhaltig, z.B., aus Gusseisen, und der Zylinderblockkörper ist
eine Aluminiumlegierung, die um die Laufbüchse gegossen ist. Die US-A-5,361,823
stellt die Herstellung eines derartigen Zylinderblocks dar.
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Ein
derartiger, eingangs erwähnter
Zylinderblock bereitet Probleme bei der Bearbeitung der Formteilfläche des
Zylinderkopfes. Typischerweise erfolgt diese Bearbeitung mittels
eines Stirnfräsers, der
um eine durch die Kopffläche
hindurch geführte, im
rechten Winkel zu dieser stehende Achse dreht. Dadurch müssen die
Messer des Fräswerkzeugs
sowohl den Werkstoff der Laufbüchse
als auch den Werkstoff des Blockkörpers schneiden. Die Notwendigkeit,
die Laufbüchse
sauber zu schneiden, schränkt
die Standzeit des Werkzeugs ein, so dass hohe Werkzeugkosten und
Stillstandzeiten bei der Bearbeitung entstehen. Der bearbeitete
oder von der Laufbüchse
abgebrochene Werkstoff kann die normalerweise weichere Fläche des
Blockwerkstoffs auch dann beschädigen,
wenn die zur Minimierung dieser ungewollten Wirkung gewählten Fräsparameter
einen Kompromiss darstellen. Selbst eine Werkzeugspitze aus polykristallinem
Diamant (PCD) ist dabei einem schnellen Verschleiß unterworfen,
wobei die Verschleißrate
größer ist,
als die, die sich einstellt, wenn beim Fräsen von Gusseisen bzw. einer Aluminiumlegierung
allein optimierte Parameter verwendet werden.
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Die
US-1,880,643-A beschreibt einen Zylinder, der an einem Ende mit
einer kreisförmigen
Senkung zur Aufnahme einer kreisförmigen Dichtung zur Abdichtung
gegenüber
dem Zylinderkopf versehen ist. Diese Schrift beschreibt weder Zylinderblöcke mit Zylinderlaufbüchsen, noch
deren Herstellungsverfahren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren
zur Herstellung eines Motorzylinderblocks zu schaffen, welches die
oben genannten Nachteile vermeidet.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bearbeiten
einer Kopffläche
eines Verbrennungsmotorzylinderblocks vorgesehen, der eine oder
mehrere vorgeformte Zylinderlaufbüchsen aus einem ersten Werkstoff
in engem Kontakt mit einem Zylinderblockkörper aus einem zweiten Werkstoff
aufweist, wobei die oder jede Zylinderlaufbüchse eine ringförmige Endfläche hat,
die mit der Kopffläche
benachbart ist, wobei das Verfahren die Schritte des Bearbeitens
der oder jeder Zylinderlaufbüchsen-Endfläche, um
eine jeweilige zylindrische Vertiefung zu bilden, die mit der oder
jeder Zylinderlaufbüchse
konzentrisch ist, wobei die so ausgebildete Vertiefung eine erste
vorausbestimmte Tiefe hat, und des Bearbeitens der Kopffläche des
Blockkörpers, um
die Tiefe der Vertiefung auf eine zweite vorausbestimmte Tiefe zu
verringern, aufweist.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung stellt diese auch ein Verfahren
zum Herstellen eines Verbrennungsmotorzylinderblocks bereit, welches die
folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer oder mehrerer vorgeformter
Zylinderlaufbüchsen
aus einem ersten Werkstoff, Gießen
eines Zylinderblockkörpers
aus einem zweiten Werkstoff um eine äußere Peripherie der oder jeder
Zylinderlaufbüchse,
um einen Zylinderblockguss zu bilden, wobei das Gießen eine
rohgegossene Kopffläche
aufweist, die im Wesentlichen mit einer Endfläche der oder jeder Zylinderlaufbüchse bündig ist,
Bearbeiten der oder jeder Zylinderlaufbüchsen-Endfläche, um eine jeweilige zylindrische
Vertiefung zu bilden, die mit der oder jeder Zylinderlaufbüchse konzentrisch
ist, wobei die so gebildete Vertiefung eine erste vorausbestimmte
Tiefe hat, und Bearbeiten der Kopffläche des Blockkörpers, um
die Tiefe der Vertiefung auf eine zweite vorausbestimmte Tiefe zu
verringern.
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Der
erste Werkstoff kann eisenhaltig, beispielsweise Gusseisen, sein,
und der zweite Werkstoff kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein,
die um die oder jede Laufbüchse
gegossen werden kann.
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Das
Verfahren nach dem ersten bzw. dem zweiten Aspekt der Erfindung
kann einen Bearbeitungsvorgang umfassen, in dem ein Stirnfräser, der um
eine Achse dreht, die im Wesentlichen zu der Kopffläche im rechten
Winkel steht, axial zugeführt wird,
um die Vertiefung zu bearbeiten. Ein derartiges Verfahren kann auch
einen Bearbeitungsvorgang umfassen, in dem ein Stirnfräser, der
um eine Achse dreht, die im Wesentlichen zu der Kopffläche senkrecht
steht, seitlich relativ zu dem Zylinderblock zugeführt wird,
um die Kopffläche
zu bearbeiten, wobei in diesem Fall der Stirnfräser längs parallel zu einer Kurbelwellenachse
des Zylinderblocks zugeführt wird,
um die Kopffläche
zu bearbeiten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäß hergestellten Verbrennungsmotorzylinderblock
in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
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2 den
Zylinderblock vor dessen Bearbeitung in einem schematischen Querschnitt
entlang der Linie II-II aus 1;
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3 einen
ersten Bearbeitungsvorgang in einer Ansicht gemäß 2;
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4 den
Zylinderblock nach vollendetem erstem Bearbeitungsvorgang und vor
einem zweiten Bearbeitungsvorgang in einer Ansicht gemäß 2;
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5 eine
teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten
Zylinderblocks, in Blickrichtung des Pfeils A aus 1,
die einen Stirnfräser
während
des zweiten Bearbeitungsvorgangs zeigt;
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6 eine
Ansicht ähnlich 2,
die den Zylinderblock nach dem zweiten Bearbeitungsvorgang zeigt;
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7 den
bearbeiteten Zylinderblock zusammen mit einer Kopfdichtung und einem
Zylinderkopf in einem Teilschnitt gemäß 6;
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8 eine
erste am Zylinderblock vorgenommene Änderung vor der Bearbeitung
in einem schematischen Querschnitt gemäß 2;
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9 eine
zweite am Zylinderblock vorgenommene Änderung vor der Bearbeitung
in einem schematischen Querschnitt gemäß 2;
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10 einen
schematischen Querschnitt, der den Zylinderblock mit einer dritten Änderung
und nach Beendigung des ersten Bearbeitungsvorgangs, jedoch vor
dem zweiten Bearbeitungsvorgang zeigt; und
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11 den
Zylinderblock aus 10 nach dem zweiten Bearbeitungsvorgang
in einem schematischen Querschnitt.
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Ein
Verbrennungsmotorzylinderblock 11 wird als Gussteil hergestellt,
indem vier vorgeformte Zylinderlaufbüchsen 12 bereitgestellt
werden, welche aus einem ersten Werkstoff, nämlich aus anhand eines Schleudergussverfahrens
hergestelltem Gusseisen, bestehen und eine Bohrung aufweisen. Ein
zweiter Werkstoff, nämlich
eine Aluminiumlegierung, wird dann um die äußere Peripherie der Laufbüchsen 12 gegossen,
um einen Zylinderblockkörper
bzw. Zylinderblockguss 13 zu bilden. In diesem Zustand
umfasst der Blockguss 13 eine roh gegossene Kopffläche 14,
die im Wesentlichen mit einer Endfläche 15 einer jeden
Laufbüchse 12 bündig ist
(1 und 2).
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In
einem ersten Bearbeitungsvorgang wird ein Stirnfräser 21 (3),
der um eine Achse dreht, die im Wesentlichen zur Kopffläche 14 senkrecht steht,
axial fluchtend mit der Achse einer jeden Laufbüchse 12 zugeführt, um
in die jeweilige Kopffläche 14 eine
Vertiefung 22 mit einer ersten vorausbestimmten Tiefe D1
einzuarbeiten. Jede Vertiefung 22 umgibt die jeweiligen
Laufbüchsen 12 und
ist im Wesentlichen konzentrisch zu diesen angeordnet, so dass der
Blockwerkstoff 13 um die Laufbüchse herum gänzlich freigelegt
wird.
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In
einem zweiten Bearbeitungsvorgang wird ein weiterer Stirnfräser 31 (5),
der ebenfalls um eine Achse dreht, die im Wesentlichen zu der Kopffläche 14 senkrecht
steht, seitlich relativ zu dem Zylinderblock 11, in einer
Längsrichtung,
die sich parallel zu einer Kurbelwellenachse X (1)
erstreckt, zugeführt,
um die roh gegossene Kopffläche 14 zu
bearbeiten. So entsteht eine fertig bearbeitete Kopffläche 32,
wobei die Tiefe der Vertiefung 22 auf eine zweite vorausbestimmte
Tiefe D2 verringert wird, indem der Stirnfräser 31 einen Metallbetrag
D1–D2
abträgt.
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Die
fertig bearbeitete Vertiefung 22 nimmt einen verdickten
ringförmigen
Abschnitt 35 einer Kopfdichtung 36 (7)
auf, welche auch einen insgesamt flachen Abschnitt 37 umfasst,
der zwischen der fertig bearbeiteten Kopffläche 32 und einem Zylinderkopf 38 eingesetzt
ist. Der ringförmige
Dichtungsabschnitt 35 dichtet den Bereich zwischen der
Endfläche
der Laufbüchse 12 und
dem Zylinderkopf 38 gegen den Zylindergasdruck ab, während der
flache Dichtungsabschnitt 37 in herkömmlicher Weise die Kühlmittelkanäle, die Ölabführkanäle und die Ölzuführkanäle abdichtet.
Die zylindrische Wand 24 der Vertiefung 22 trägt dazu
bei, den ringförmigen
Dichtungsabschnitt 35 zu stützen. Anstatt aus einer Montage
zu bestehen, kann die Dichtung 36 in einer wie im Allgemeinen
in der US-A-1,880,643
beschriebenen Weise auch durch separate, dem ringförmigen Dichtungsabschnitt 35 entsprechende
Dichtungsringe und durch eine dem flachen Dichtungsabschnitt 37 entsprechende,
flache Dichtung ersetzt werden.
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Während des
zweiten Bearbeitungsvorgangs zur Erzeugung der fertig bearbeiteten
Kopffläche 32 werden
die Laufbüchsen 12 nicht
bearbeitet, so dass die Ausgestaltung des Stirnfräsers 31 sowie seine
Schneideinsätze
sowohl hinsichtlich der Schneidgeschwindigkeit als auch der Endbearbeitung
auf das Fräsen
des Werkstoffs, aus dem der Blockguss 13 besteht, optimiert
werden kann. Da nur ein einziger Werkstoff gefräst wird, besteht keine Gefahr,
dass der härtere
Werkstoff der Laufbüchse 12 den
weicheren Werkstoff des Gussteils 13 anritzt. Ein derartiges
Anritzen ist bei Kopfflächen
von Verbrennungsmotorzylinderblöcken
ein Problem, weil die Abdichtung der Kopfdichtung dadurch beeinträchtigt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die beim Schneiden von
nur dem Blockwerkstoff erzeugten Kräfte während des zweiten Bearbeitungsvorgangs viel
geringer sind, als wenn Laufbüchse
und Block gemeinsam bearbeitet werden, wie dies bislang gehandhabt
wurde. Indem die Kräfte
reduziert werden, verringert sich auch der Biegungsbetrag der Werkzeuge
(z.B. des Fräsers 31 und
seiner tragenden Struktur) und des Werkstücks (z.B. des Blocks 11). Dies
allein trägt
dazu bei, sowohl die Oberflächenbearbeitung
als auch die Formbeständigkeit
zu verbessern.
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Es
versteht sich, dass zum Erzeugen der fertig bearbeiteten Fläche 32 die
ursprüngliche
Tiefe D1 der Vertiefung 22 nicht bedeutend größer sein
muss als der von der roh gegossenen Kopffläche 14 abzutragende
Betrag, wobei die endgültige
Tiefe D2 der Vertiefung typischerweise 0,5 mm betragen würde. Zu
Bearbeitungszwecken braucht der Durchmesser der zylindrischen Wand 24 der
Vertiefung lediglich um einen kleinen Betrag größer zu sein als der Außendurchmesser
der Laufbüchse 12,
wobei dieser Betrag ausreichen sollte, um aus der Vertiefung 22 die
gesamte Laufbüchse
abzutragen. Von diesen Überlegungen
abgesehen, können
die radiale Breite und Tiefe der Vertiefung 22 in angemessener
Weise so gewählt
werden, dass sie der Ausgestaltung der Zylinderkopfdichtung 36 angepasst
sind.
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Der
Stirnfräser 21 ist
vorzugsweise ein nach Außen
hin arbeitender Fräser,
bei dem die einzelnen Schneideinsätze 23 radial nach
außen
bewegt, bzw. zugeführt
werden. Die Einsätze 23 werden
auf einem ersten Radius gehalten, während der Fräser 21 axial auf
die geforderte Tiefe D1 geführt
wird, und dann wird der Fräser
axial gehalten, während
die Einsätze 23 auf
einen zweiten Radius bewegt werden, um der zylindrischen Wand 24 der
Vertiefung 22 den erforderlichen Durchmesser zu verleihen.
Die Schneideinsätze 23 können aber
auch feststehen und die Achse des Fräsers 21 kann relativ
zur Zylinderachse umlaufend bewegt werden, um eine Vertiefung 22 mit
dem geforderten Durchmesser zu erzeugen. Alternativ hierzu kann
der Stirnfräser 21 auch
einen einfachen Tauch- und Senkungsvorgang durchführen, wobei aber
mit einem solchen Vorgang möglicherweise
keine so guten Endergebnisse erzielt werden, wie mit den soeben
erwähnten
anderen Verfahren.
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Wie
oben beschrieben, ist die roh gegossene Kopffläche 14 normalerweise
im Wesentlichen bündig
mit der Endfläche 15 einer
jeden Laufbüchse 12. Beim
Gießen
kann eine bestimmte Dicke des Blockwerkstoffs über die Enden der Laufbüchsen hinausragen
und dieser Überstand
würde normalerweise durch
den Stirnfräser 21 beim
ersten Bearbeitungsvorgang abgetragen werden. 8 zeigt
eine erste, am Zylinderblock 13 vorgenommene Änderung,
bei der das Maß des Überstands 41 vergrößert wird,
um so die Laufbüchsen 12 weniger
bearbeiten zu müssen,
wobei die Enden 15 einer jeden Laufbüchse 12 gegenüber der
roh gegossenen Kopffläche 14 um
einen Betrag D3 versetzt sind, der etwas geringer ist als D1. 9 zeigt
eine auf der ersten Änderung
basierende zweite Änderung,
in der eine Vertiefung 22a während des Gießens des
Blocks 13 gebildet wird. Diese Vertiefung 22A hat
eine geringere Tiefe und einen geringeren Durchmesser als die Vertiefung 22, die
während
des ersten, in den 3 und 4 gezeigten
Bearbeitungsvorgangs gebildet wurde, wodurch der Bearbeitungsaufwand
des Blockwerkstoffs während
des ersten Bearbeitungsvorgangs reduziert wird.
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Die 10 und 11 zeigen
eine dritte Änderung
des Zylinderblocks 13, bei der die roh gegossene Kopffläche 14B in
einem schrägen
Winkel zu den Zylinderachsen und nicht mehr wie üblich senkrecht zu diesen steht.
In einem ersten Bearbeitungsvorgang dreht ein dem Stirnfräser 21 (3) ähnlicher
Stirnfräser
um eine Achse, die im Wesentlichen senkrecht zu der roh gegossenen
Kopffläche 14B und
in einem fest zu den Achsen der Laufbüchsen 12 stehenden,
spitzen Winkel „a" steht. Der Stirnfräser wird
axial zugeführt,
um in die Kopffläche 14B eine der
Vertiefung 22 ähnliche
Vertiefung 22B einzuarbeiten und den Werkstoff des Blockes 13 um
die Laufbüchse
herum vollständig
freizulegen, wie dies in 10 zu
sehen ist. In einem zweiten Bearbeitungsvorgang wird zur Bearbeitung
der roh gegossenen Kopf fläche 14B ein
anderer, dem Stirnfräser 31 (5) ähnlicher
Stirnfräser,
welcher ebenfalls um eine Achse dreht, die im Wesentlichen senkrecht
zur roh gegossenen Kopffläche 14B (und
im selben Winkel „a" gegenüber der
Zylinderachsen) steht, seitlich relativ zu dem Zylinderblock 11 in
Längsrichtung
parallel zur Kurbelwellenachse X zugeführt. Somit entsteht eine fertig
bearbeitete Kopffläche 32B und
wird die Tiefe der Vertiefung 22B wie eingangs beschrieben
auf eine zweite vorausbestimmte Tiefe reduziert. Bei Bedarf kann
der Stirnfräser
im zweiten Bearbeitungsvorgang um eine Achse drehen, die in einem anderen
Winkel zu dem Winkel „a" steht, um eine Vertiefung
zu erzeugen, die eine Tiefe aufweist, welche sich über den
Umfang verändert
und den Winkel der Kopffläche
leicht verändert.
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Die
Erfindung wurde mit Bezug auf einen Vierzylindermotor beschrieben;
sie kann aber auch auf Motoren mit einer beliebigen Anzahl an Zylindern, einschließlich solcher
mit nur einem Zylinder und solcher mit mehr als einer Zylinderreihe,
z.B. mit einer V6- oder V8-Anordnung, angewendet werden.