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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Verbesserungen des Leistungsvermögens von
Pulvermetallteilen durch Oberflächenverdichtung,
und insbesondere betrifft sie Lagerdeckel aus Metallpulver.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Der
Einsatz von Pulvermetallurgie (P/M) zur Erzeugung von Stahlhauptlagerdeckel
für Personenkraftfahrzeugmotoren
ist von null auf gut über
70 Millionen im Einsatz befindlichen Komponenten gestiegen. Da Gusseisen, üblicherweise
von der Art, das allgemein bekannt als "duktiles Gusseisen" (DCI) ist, ist dadurch ersetzt worden.
Es existieren zahlreiche kommerzielle und technische Vorteile bei
der Verwendung des P/M-Prozesses, einschließlich dem Entfallen zahlreicher
kostenaufwendiger Maschinenbearbeitungsschritte, dem Ausbilden von
speziellen Formen und Geometrien während der Formungs-(Pulverkompaktierung)-Stufe, sowie der
Einsatzflexibilität
von Material. Der überwiegende
Teil von Motoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, fallen
in ein Pulverdichteverhältnis
(Pulver/Motorgrößenverhältnis),
welches Hauptlagerdeckel unter Spannung setzt, die durch die Materialfestigkeit des
P/M-Stahls aufnehmbar ist, welche dem Material innewohnt. Es existieren
jedoch einige Spezialzweck-Hochleistungsmotoren, die für spezielle Straßenfahrzeuge
verwendet werden, einschließlich dem
Rennsport, und die jenseits dem normalen Leistungsdichteverhältnis liegen.
In diesen speziellen Fällen
wird der Leistungs- und Sicherheitsfaktor der Hauptlagerdeckel reduziert
ausgehend vom bevorzugten Minimum von 1,5 bis zu einem Niveau, das sich
1,0 nähert.
Der Sicherheitsfaktor 1,0 bedeutet, dass die Komponente auf lange
Sicht gesehen das maximale Nennmotorleistungsvermögen gerade eben
so überlebt.
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In
derartigen Fällen
ist es angezeigt, das Leistungsvermögen (die Festigkeit bzw. Dauerhaftigkeit
unter zyklischen Ermüdungsbedingungen)
des Hauptlagerdeckels zu erhöhen,
um einen komfortablen Sicherheitsabstand zu gewährleisten.
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Die
für Hauptlagerdeckel
verwendeten P/M-Stahlmaterialien können durch herkömmliche Mittel
gestärkt
werden, wie etwa durch Wärmebehandlung
des Materials (Vergütungshärten). In
diesem Fall wird das Material unvermeidlich deutlich härter und
es ist damit beständig
in Bezug auf maschinelle Bearbeitungsvorgänge, die erforderlich sind,
nachdem die Komponente in den Motorzylinderblock installiert ist.
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Eine
virtuell einzigartige Eigenschaft von Metallen, die durch Pulvermetallurgie
prozessiert werden, ist deren Fähigkeit,
die Dichte zu verändern,
bei der es sich um die Masse pro Volumeneinheit des Materials handelt.
Diese Eigenschaft entwickelt sich in natürlicher Weise während des
P/M-Herstellungsprozesses, der den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik
gut bekannt ist. Kurz gesagt, besteht dieser im Verdichten des ausgewählten Pulvergemisches unter
hohem Druck in speziell konstruiertem Werkzeug in einer Form, die
als "Vorform" bekannt ist, welche
daraufhin durch einen Prozess wärmebehandelt wird,
der als "Sintern" bekannt ist und
dazu führt, dass
die Pulverpartikel miteinander verschmelzen, wodurch sich mechanische
Festigkeit ausbildet.
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Dem
Fachmann auf diesem Gebiet der Technik ist ferner geläufig, dass
die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des P/M-Metalls
besser werden, wenn die Dichte des Metalls höher wird.
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Um
die Festigkeit eines P/M-Stahlhauptlagerdeckels zu erhöhen, ohne
die problemlose maschinelle Herstellbarkeit (Maschinenverarbeitbarkeit) zu
beeinträchtigen,
ist es angezeigt, die Dichte des Formteils zu erhöhen. Dies
lässt sich
normalerweise erzielen durch Erhöhen
des Pulververdichtungsdrucks. Diese Option ist jedoch durch die
Festigkeit des Verdichtungswerkzeugs beschränkt. Alternativ kann die Konstruktion
vereinfacht werden, um den Aufbau eines robusteren Werkzeugs zu
ermöglichen, das
einen höheren
Verdichtungsdruck widerstehen kann. Dies führt jedoch unvermeidlich zu
zusätzlichen
teuren Maschinenverarbeitungsvorgängen, welche das Produkt kommerziell
nicht realisierbar macht.
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Ein
spezielles Merkmal von Metallen, die weniger als volle Dichte aufweisen,
ist die Fähigkeit,
die Oberfläche
mechanisch zu verdichten durch Ausüben eines mechanischen Drucks.
Erzielt werden kann dies auf verschiedene Weise, beispielsweise durch
Rollen einer Hauptwalze über
die Oberfläche (glätten bzw.
brünieren),
oder durch lokalisiertes Hämmern
(Stahlhämmern).
Derartige lokale Verdichtungsprozesse sind dem Fachmann auf diesem
Gebiet der Technik geläufig.
Diese Prozesse können, wenn
sie korrekt angewendet werden, auch in günstigen "Restverdichtungsoberflächenspannungen" resultieren, welche
die Betriebsdauer des Produkts unter zyklischen Ermüdungsbedingungen
verlängern kann.
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Die
vorliegende Erfindung lehrt ein Verfahren zum Einbeziehen dieser
Prinzipien in neuer Weise, um das Leistungsvermögen von mechanischen Pulvermetallkomponenten
zu erhöhen,
und insbesondere, um einen Pulvermetallstahlhauptlagerdeckel so zu
verbessern, dass er dem Bedarf moderner Hochleistungsfahrzeugmotoren
entspricht.
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Mit
Hochleistungsmotorhauptlagerdeckeln sind drei prinzipielle mechanische
Störfälle verbunden,
das heißt,
Ermüdungsrissbildung
durch die Schraubverbindungsfläche
(1a), Ermüdungsrissbildung
durch ein inneres Schraubenloch (1b) und
der seitliche Schraublochgewindestörfall (1c).
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Durch
die Firma des Erfinders wurde ein Forschungsprogramm initiiert,
um zu ermitteln, ob und wie die Festigkeit des Hauptlagerdeckels
erhöht
werden kann durch Anwendung einer Oberflächenverdichtung auf jeden dieser
kritischen Bereiche. Dies erforderte extensive Entwicklungsarbeit
und zuzüglich
zahlreiche über
lange Zeit laufende Ermüdungstests
sowohl in Bezug auf Teststücke
wie auf tatsächliche
Hauptlagerdeckel, die sich in aktueller Produktion befinden.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 897 485 B1 ist ein Lagerdeckel derjenigen Art bekannt,
die auf eine Lagerstückstruktur
derart geschraubt ist, dass eine Lagerbohrung zwischen dem Deckel
und der Struktur festgelegt ist. Schraubenlöcher bzw. Bolzenlöcher zum
Festlegen der Kappe an der Struktur erstrecken sich durch Füße oder
Schenkel des Deckels und in die Struktur hinein.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist durch einen Deckel in Übereinstimmung mit dem Anspruch
1 und durch ein Verfahren in Übereinstimmung
mit dem Anspruch 18 festgelegt.
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Gemäß einem
Aspekt stellt die Erfindung eine Lagerdeckelkonstruktion mit hohem
Leistungsvermögen
bereit, welche die hauptsächlichen
Störfälle eines
Hauptlagerdeckels löst,
und ein Verfahren zum Verwirklichen der Konstruktion. Die erfindungsgemäße Oberfläche verdichtet
bestimmte Bereiche des Lagerdeckels zur Erhöhung seiner Festigkeit und seiner
Beständigkeit
in Bezug auf Störfälle.
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Ein
Aspekt der Erfindung sieht insbesondere vor, die Schraubenverbindungsoberfläche des Hauptlagerdeckels
zu verdichten. Es ist bevorzugt, diese Verdichtung auf der Schraubenverbindungsoberfläche des
Deckels einwärts
von jedem Hauptschraubenloch durchzuführen, nicht jedoch in Bereiche,
die hinter den Köpfen
der Schrauben zu liegen kommen, wobei die Oberfläche nicht verdichtet wird, die
unmittelbar zu den Rändern
der Schraubenverbindungsoberfläche
zu liegen kommt, so dass an den Rändern eine kleine unverdichtete
Spanne verbleibt. Der Schraubenkopfgrenzflächenbereich wird nicht verdichtet,
um seinen Oberflächenzustand
zugunsten einer konsistenten Verspannungsreibung und Schraubenstreckung
beizubehalten, wenn die Schrauben festgedreht werden, und die Randbereiche
werden nicht verdichtet, um an den Rändern keine scharfen Kanten
oder Grate zu erzeugen.
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Die
Verdichtung der Schraubenverbindungsoberfläche erfolgt bevorzugt durch
Nadelverfestigen, und insbesondere durch einen Präzisionsmusterverfestigungsprozess
unter Verwendung einer programmierbaren Präzisionseinzelnadelverfestigungsmaschine.
Die Einzelnadelverfestigungsmaschine ist von der Art, die normalerweise
verwendet wird zum Stanzen von Ziffern in Teile, welche Maschine
mitunter als Stiftstanzer bezeichnet wird. Sie verdichtet mit einer
einzigen Nadel in einem Matrixmuster, dessen spezifische Form programmierbar
ist. Deshalb kann sie so programmiert werden, dass spezifische Oberflächen in
einer Pulvermetallkomponente oberflächenverdichtet werden. Im Fall
eines Hauptlagerdeckels ist sie so programmiert, dass ein Bereich
innerhalb von Spannen benachbart zu den Rändern des Lagerdeckels und
auf der Innenseite des Schraubenkopfgrenzflächenbereichs um jedes innere
Schraubenloch verdichtet wird, bei der es sich um die Grenzfläche zwischen
dem Kopf der Schraube und dem Lagerdeckel handelt. Der verdichtete
Bereich erstreckt sich einwärts über eine
Länge,
die hinreicht, den wahrscheinlichsten Bereich für die Ermüdungsrissausbreitung abzudecken.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung werden die Schraubenlöcher (welche
sich durch die Schraubenverbindungsoberfläche erstrecken) mechanisch
auf ein Maß aufgeweitet,
das geeignet ist, die Schraubenlochoberfläche auf eine signifikante Tiefe
zu verdichten. Die Verdichtungstiefe ist hinreichend zur Verfestigung
des Lagerdeckels im Bereich des Schraubenlochs und vergrößert seine Beständigkeit
gegenüber
einer Entwicklung eines Ermüdungsbruchs,
der von dem Schraubenloch ausgeht. Bevorzugt wird die Verdichtung über die
gesamte Länge
des Bolzenlochs durchgeführt.
Sie sollte jedoch zumindest diejenige Länge abdecken, die sich über etwa
ein drittel ausgehend vom Bodenende des Schraubenlochs erstreckt
(Das Bodenende bzw. Sackende des Schraubenlochs existiert an derjenigen
Oberfläche des
Lagerdeckels, die mit dem Kurbelgehäuse eine Grenzfläche bildet,
und durch welche die Schraube sich erstreckt).
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird der Lagerdeckel verbessert durch
Formen anstatt Schneiden der Gewinde in den seitlichen Schraubenlöchern des
Lagerdeckels, wenn seitliche Schraubenlöcher vorgesehen sind. Die Formung
der Gewinde, beispielsweise durch Roll- oder Walzformen, verdichtet
die Gewindeoberfläche
auf eine Tiefe, die geeignet ist, einem Scheren oder Ablösen der Gewinde
zu widerstehen oder einem Herausziehen der seitlichen Schraube.
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Gemäß einem
speziellen wesentlichen Aspekt der Erfindung wird eine Kombination
aus zwei oder mehr identifizierten Bereichen oberflächenverdichtet.
Wenn ausschließlich
ein Bereich oberflächenverdichtet
wird, dann derjenige, für
den es wahrscheinlicher ist, dass der Störfall in einem der anderen
Bereiche auftritt. Bevorzugt werden zumindest die Schraubenverbindungslöcher und
die Schraubenlöcher
oberflächenverdichtet.
Wenn sämtliche drei
Bereiche oberflächenverdichtet
werden, werden die drei hauptsächlichen
Störfälle ausgeschlossen, was
zu einem Lagerdeckel mit sehr hohem Leistungsvermögen führt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenverdichtung von
Pulvermetallkomponenten innerhalb spezifischer Bereiche einer Oberfläche durch
mechanisches Eindrücken
des Bereichs bereit, um die Oberfläche des Bereichs durch Aufbringen
eines geometrischen Musters von sich überlappenden kugelförmigen Eindrückungen
innerhalb des Bereichs zu verdichten. Dieses Verfahren führt zu einem
spezifischen Bereich einer Oberflächenverdichtung, ohne andere
Bereiche der Komponente zu beeinträchtigen.
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Diese
sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erschließen sich
aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1a zeigt
eine Seitendraufsicht einer Bruchstelle R, welche sich durch die
Schraubenverbindungsfläche
F eines Hauptlagerdeckels ausgebreitet hat;
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1b zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 1a, jedoch unter Darstellung
der Hauptschraubenlöcher
B und der seitlichen Bolzenlöcher
S in strichlierten Linien unter Darstellung einer Bruchlinie, die
sich ausgehend von der Innenseite von einer der Hauptschrauben B
ausgebreitet hat;
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1c zeigt
eine Querschnittsansicht einer Gewindestörstelle in einem der seitlichen
Schraubenlöcher
S;
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2 zeigt
eine Seitendraufsicht eines Hauptlagerdeckels einer Art, mit einem
Bogen oder einem Höcker
in der Schraubenverbindungsoberfläche F;
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3 zeigt
eine Seitenaufrissansicht eines Hauptlagerdeckels einer Art, die
eine flache Schraubenverbindungsfläche F aufweist (um die Schraubenlöcher können in
jeder Art des Lagerdeckels hochstehende oder nicht hochstehende
Stege vorliegen);
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4 zeigt
ein Querschnittsmikrofoto eines nadelverdichteten Bereichs der Oberfläche des
Pulvermetallteils;
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5 ist ähnlich zu 4,
zeigt jedoch eine nicht verdichtete Oberfläche;
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6a zeigt
eine Ansicht einer Nadelverdichtung unter Überlappung auf einer Schraubenkopfgrenzfläche eines
Lagerdeckels;
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6b zeigt
eine Ansicht einer Musterverdichtungsfläche unter Darstellung einer
Einzelstiftmusterverdichtung tangential zu der Schraubenkopfgrenzfläche ohne Überlappung
darauf;
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7 zeigt
einen Mikrofotoquerschnitt eines Grats, der am Rand einer herkömmlichen
nadelverdichteten Oberfläche
gebildet ist;
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8 zeigt
einen Mikrofotoquerschnitt der Innenseite des Schraubenlochs B nach
einem Glättungsvorgang;
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9 zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 6 jedoch unter Darstellung
des Schraubenlochs B vor dem Glättungsvorgang;
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10 zeigt
eine fotographische Fotokopie eines Orangenabschäleffekts auf der Oberfläche des Schraubenlochs
B, resultierend aus einem übermäßigen Glätten des
Schraubenlochs;
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11 eine
perspektivische Ansicht von Lagerdeckeln C mit seitlicher Verschraubung,
jeweils gezeigt mit zwei seitlichen Schrauben D und zwei Hauptschrauben
M;
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12 zeigt
einen Mikrofotoquerschnitt eines geformten Gewindes in einer Pulvermetallkomponente
unter Darstellung einer Verdichtung;
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13 zeigt
einen Mikrofotoquerschnitt eines geschnittenen Gewindes in einer
Pulvermetallkomponente unter Darstellung keiner Verdichtung; und
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14 zeigt
einen graphischen Vergleich der Festigkeit eines geschnittenen Gewindes
im Vergleich zu der Festigkeit eines geformten Gewindes in den seitlichen
Schraubenlöchern
eines P/M-Hauptlagerdeckels.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
in 1a und 1b gezeigt,
weist ein Pulvermetalllagerdeckel C einen Bohrungsbogen A in einem
Brückenabschnitt
G zwischen zwei Schenkeln L des Lagerdeckels C auf, wobei Hauptschraubenlöcher B sich
durch die Schenkel L ausgehend von einer Schraubenverbindungsfläche F erstrecken, die
sich in Gegenüberlage
zu dem Bohrungspunkt A befindet, zu einer Verbindungsfläche J von
jedem Schenkel L. Die Verbindungsfläche J befindet sich in Gegenüberlage
zu der Schraubenverbindungsfläche F
mit einer Verbindungsfläche
auf jeder Seite des Bogens. Wie an sich bekannt, wird der Deckel
C mit einem Kurbelgehäuse
S derart verschraubt, dass der Bogen A zusammen mit einem ähnlichen
Bogen in dem Kurbelgehäuse
die Bohrung festlegt, in welchem die Kurbelwelle des Motors gelagert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung bringt Verbesserungen in Bezug auf die Ermüdungsrissbeständigkeit von
Pulvermetallkomponenten, insbesondere in der bevorzugten Ausführungsform
in Bezug auf einen Hauptlagerdeckel durch Oberflächenverdichtung bestimmter
Oberflächen,
die durch Ermüdungsrissbildung
für einen
Störfall
empfindlich sind. In dem Hauptlagerdeckel existieren drei derartige
Oberflächen,
wie vorstehend angesprochen, nämlich
die Schraubenverbindungsfläche
F, die Hauptschraubenlochoberflächen
B und die seitlichen Schraubengewindeoberflächen S. Jede dieser Flächen ist
nachfolgend erläutert.
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Lokalisierte
Oberflächenverdichtung
der Schraubenverbindungsoberfläche
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Die
Schraubenverbindungsoberfläche
F einer Hauptlagerkappe C kann flach sein oder einen Bogen aufweisen
(vergleiche 2 und 3) und zwar
in dem Brückenbereich
G, der zwischen den beiden Schenkeln L zu liegen kommt. In beiden
Fällen
gilt, dass im Einsatz die maximale kritische Spannung eine zyklische
Zugspannungsbelastung (Ermüdungsspannung)
im Brückenbereich
zwischen den innen liegenden Hauptschraubenlöchern B ist (es wird bemerkt,
dass ein, zwei oder mehr Hauptschraubenlöcher für jeden Schenkel L vorgesehen
sein kann mit einem "inneren" Loch am nächsten Bogen A,
wobei die weiteren Löcher
weiter entfernt auswärts liegen).
Ein typischer Riss R, der sich im Fall dieser Störstelle gebildet hat, ist in 1a gezeigt.
Für die vorliegende
Entwicklung wurde ein Kombination aus Dehnungsmessgeräten auf
tatsächlichen
Deckeln unter simulierten Einsatzbedingungen und Finite-Elemente-Analysen
(FEA) verwendet, um den Ort maximaler zyklischer Zugspannung zu
ermitteln. Eine ähnliche
Prozedur wurde in Bezug auf Ermüdungstestcoupons
verwendet, die dazu dienen, grundsätzliche Verbesserungen der
Materialeigenschaft in Ermüdungstesteinheiten
zu ermitteln, die in dem Programm eingesetzt wurden.
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Strahlverfestigung
und Nadelverfestigung zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer von Komponenten
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Bei
der Strahlverfestigung handelt es sich um ein allgemein bekanntes
Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit. Das Strahlverfestigen sieht
das Schießen
von harten Geschossen (kleinen Partikeln) auf die zu verfestigende
Oberfläche
vor. Dieser Prozess ist jedoch teuer und mit Schmutzentwicklung
verbunden, was außerordentliche
Vorsichtsmaßnahmen
erfordert, um eine lokalisierte Luftverschmutzung zu unterbinden,
die potentiell schädlich
ist, und für
die Bedienperson mit Sicherheit unangenehm ist.
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Ein
weiterer Nachteil der Strahlverfestigung besteht darin, dass sie
nicht spezifisch verläuft
und sämtliche
Oberflächen
abdeckt, die den Geschossstrom ausgesetzt sind. In einigen Fällen ist
der Zustand einer strahlverfestigten Oberfläche unerwünscht, weil diese Verfestigungsart
bzw. die Strahlbelastung die Oberfläche aufraut. Dies kann zu einer ungünstigen Änderung
des Reibungskoeffizienten der Oberfläche führen sowie dazu, dass das Aussehen
des Produkts beeinträchtigt
ist. Um selektiv vorgehen zu können,
müssen
diejenige Bereich, die durch die Geschossverfestigungsaktion beschädigt werden
könnten,
abgeschirmt oder individuell maskiert und daraufhin demaskiert werden.
Hierbei handelt es sich um eine ausgesprochen kostenaufwändige Prozedur.
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Beim
Nadelverfestigen handelt es sich um eine weniger bekannte Alternative.
Es handelt sich insbesondere um einen Prozess unter Verwendung von
harten Stahlnadeln, die veranlasst werden, auf die Oberfläche des
Metalls einzuhämmern
(Hämmern).
Hierbei handelt es sich um einen umweltfreundlichen Prozess, der
außerdem
kostengünstig ist.
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Der
Nadelverfestigungsprozess ist weitaus stärker lokalisiert als die Geschossverfestigung,
und er kann auf den speziellen Bereich einer Komponente ausgerichtet
werden, und zwar im spezifischen Bereich einer Komponente, der gestärkt werden
soll. Dieser Prozess wurde auf den kritischen Bereichen der Hauptlagerdecke
beurteilt. Die hierzu verwendete Vorrichtung war eine kommerziell
erhältliche
Entkrustungskanone. Diese wird üblicherweise
dazu verwendet, Schuppen von Schweißverbindungen zu entfernen,
um Anstreichen zu ermöglichen,
und das Aussehen zu verbessern und um die Qualität der Schweißstelle
aufzudecken. Die Nadel sind typischerweise sechs bis acht inch lang
und haben einen Durchmesser von etwa 0,125 inch. Die Spitzen der Nadeln,
die üblicherweise
für die
Entschuppung verwendet werden, erwiesen sich als für den Nadelverfestigungsprozess
ungeeignet. Experimente zeigten, dass nach einer langen Zeitdauer
(mehreren Stunden) die ursprüngliche
quadratischen abgeschrägten Spitzen
der Nadeln einen natürlichen
Kugelradius einnahmen, der daraufhin ausgesprochen stabil war. Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht deshalb darin, diesen "natürlichen
Radius" voraus zu
bestimmen und die Nadelspitzen auf diese Form maschinell zu bearbeiten,
bevor damit begonnen wird, sie im Einsatz zu verwenden. Falls dies
nicht so wie aufgezeigt erfolgt, führt dies zu ungleichmäßigen scharfen
Nadeleindrücken
in den früh
verarbeiteten Abschnitten. Scharfrandige Eindrückungen führen nicht zu einer Verbesserung
der Ermüdungslebensdauer
der Komponente; vielmehr können
sie die Komponenteneinsatzdauer durch Bereitstellung von Spannungsauslösern sogar
verringern.
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Die
Ergebnisse von Nadelverfestigungsversuchen sind in Querschnittsmikrofotos
einer behandelten Oberfläche
(4) gezeigt. Erkennbar ist die lokale Oberflächenverdichtung,
erzeugt durch die verrundeten Stoßnadeln. Im Gegensatz hierzu
zeigt 5 die unverdichtete Oberfläche.
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Die
Beurteilung der Geschossverfestigungs- und lokalisierten Luftkanonennadelverfestigungsprozesse
sowie ihres jeweiligen Effekts auf die Ermüdungslebensdauer wurde zweistufig
ausgeführt.
Die erste Stufe nutzt sechs Ermüdungslebensdauertestmaschinen.
Testcoupons (Proben) wurden zubereitet und in drei Gruppen unterteilt:
in Unbehandelte, Geschossverfestigte und Nadelverfestigte. Daraufhin wurde
ein Ermüdungstestvorgang
bezüglich
sämtlicher
drei Sätze
von Testcoupons ausgeführt.
Sowohl die geschossverfestigten wie die luftkanone-nadelverfestigten
Coupons ergaben eine Erhöhung
der Ermüdungslebensdauer
von zumindest 15% in Bezug auf die unbehandelten Coupons. Die erzielten
exakten Verbesserungen hingen von den gewählten Prozessparametern ab.
Diese umfassen die Schuss- bzw. Geschossintensität bzw. den Nadelstoß, die Behandlungszeit
und den Geschossdurchmesser bzw. die Nadelspitze. Diese Parameter
sollten für
verarbeitetes spezifisches Material optimiert werden.
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Während der
Luftkanonen-Nadelverfestigungsprozess effektiv war in Bezug auf
die Coupons und gleichermaßen
effektiv war in Bezug auf zahlreiche mechanische P/M-Komponenten,
wurde herausgefunden, dass das Luftkanonen-Nadelverfestigen mit
zwei Nachteilen behaftet ist, wenn diese Verfestigung auf den Hauptlagerdeckel
angewendet wird. Jede Nadel wird in der Luftkanonentrommel durch Führungslöcher geführt. Die
Löcher
müssen
jedoch Freiraum für
die Nadeln zulassen, damit diese sich dre hen können und außerdem ein zufälliges Muster von
sich überlappenden
Eindrücken
erzeugen können,
um wiederholtes Hämmern
auf bzw. in einem Punkt zu vermeiden. Es ist an sich bekannt, dass
das Überlappen
der Eindrückungen
wesentlich ist zur Erzeugung der Ermüdungslebensdauer. Dies findet
natürlich
beim Geschossverfestigen aufgrund des Zufallsstoßes des Geschosses statt. Beim
Luftkanonen-Nadelverfestigen deckt jede Nadel einen Kreis von Eindrückungen
mit zumindest fünffachen
Nadeldurchmesser ab, und dies begrenzt die Anwendung des Prozesses
im Hinblick auf die Präzision
des Umkreises der behandelten Oberfläche.
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Das
erste Beispiel (6a) zeigt, wie die Dispersion
von Nadeleindrückungen
N sich auf der Schraubenkopfgrenzfläche I erstreckt, welche gegen die
Hauptschraubeneinfangunterlegfläche
verklemmt ist. Für
diesen Bereich I existiert eine strikte Oberflächenzustandsspezifikation,
um die Reibung zwischen dem Schraubenkopf und den Hauptlagerdeckelgrenzflächen während der
Anwendung der spezifizierten Schraubendrehmomentparameter zu steuern.
Dies ist kritisch zur Erzielung einer konsistenten Schraubenniederhaltelast
und Schraubenspannung auf der Motorzylinderblockfertigungsstraße in der
Anlage des Motorherstellers zu erzielen. Dieser Pegel an Eindrückungsdispersion
kann verringert werden durch individuelle Komponentenabschirmung,
was jedoch zusätzliche
Kosten und Komplexität
mit sich bringt.
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Der
zweite Nachteil ist in 7 dargestellt. Demnach schlagen
die Nadelspitzen auf den Rand der Hauptlagerdeckeloberfläche und
erzeugen eine Gesenkdrückung
des Metalls in eine sehr scharfe überhängende Lippe O. Dies ist nicht
akzeptabel für eine
sichere Produkthandhabung und erfordert eine Komponenten abschirmung
während
der Verfestigung bzw. eine zusätzliche
Verarbeitung zur Entfernung des scharfen Grats.
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Präzisionsmusterverfestigungs-(3P)-Prozess
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Bei
der Bemühung,
die vorstehend erläuterten
Nachteile zu überwinden,
ergab sich ein Bedarf an einem alternativen Prozess mit verbesserter
Eindrückungsmusterpräzision.
Ein Prozess wurde zur Erzielung dieser Ziele entwickelt und als "3P"-Prozess bezeichnet,
was für
Präzisionsmusterverfestigung
(Precision Pattern Peening) steht. Der Prozess sieht die Verwendung
einer Einzelnadeleindrückungsmaschine
mit programmierbarem Muster vor. Die für die Entwicklung herangezogene
Maschine wird in ihrer Standardform benutzt zum Einschreiben von
Identifikationszeichen auf Metalloberflächen. Eine derartige Maschine
ist kommerziell beispielsweise erhältlich von Telesis Technologies,
Inc., Circleville, Ohio. Durch Erhöhen der Leistung der Maschine
und Anpassen eines speziellen Halters und eines präzisen maschinell
hergestellten Wolframcarbidandrückorgans
stellt sich heraus, dass präzise
gesteuerte überlappende
Eindrückungsmuster
innerhalb eines präzisen
Umkreises erzeugbar sind. Dieser Ansatz löst sämtliche vorstehend angesprochenen
Probleme sowohl in Bezug auf die Geschossverfestigung wie die Luftkanonen-Nadelverfestigung.
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6b zeigt
das unterscheidende geometrische Eindrückungsmuster D aus dem 3P-Prozess. Dieses
Muster ist stark unterschiedlich und steht in starkem Kontrast zu
dem Zufallsmuster, das durch die bislang bekannten Verfestigungsprozesse
erzeugt wurde. Dieser Kontrast ergibt sich durch Vergleichen von 6a und 6b.
Wie in 6b gezeigt, begrenzt der 3P-Prozess
präzise
die Begrenzung des Verfestigungsbereichs unter Vermei dung des Schraubenkopfbereichs
I und unter Belassung einer kleinen nicht verdichteten Spanne T
benachbart zu jedem Seitenrand des Lagerdeckels C, wodurch die Erzeugung
des scharfen Kantengrats vermieden wird, der mit den herkömmlichen
Verfestigungsprozessen einhergeht. Die Länge P von jedem verdichteten
Bereich D auf der Schraubverbindungsfläche F des musterverfestigten
Deckels C ist in 1b und 6b gezeigt,
aus denen hervorgeht, dass der verdichtete Bereich D die beiden
Bereiche der Schraubverbindungsfläche F abdeckt, von welcher
Ermüdungsrisse
sich mit der größten Wahrscheinlichkeit
ausbreiten, die die Schraubverbindungsfläche einbeziehen. Das Musterverfestigungsorgan
verfestigt diesen Bereich auf eine Tiefe von ungefähr 0,0635
mm (gemessen ausgehend von der Oberfläche eines nicht verfestigten
Bereichs zu der Oberfläche
eines verfestigten Bereichs). Es wird bemerkt, dass beide Einzelnadelmuster-Verfestigungsorgane
verwendet werden können,
um einen einzigen Lagerdeckel zu verdichten, wobei ein Verfestigungsorgan
auf dem rechten Bereich D arbeitet, während das andere auf dem linken
Bereich D arbeitet, um die Zykluszeit zu verringern.
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Die
Wirksamkeit des 3P-Prozesses zur Verlängerung der Ermüdungslebensdauer
wurde durch direkte Aufnahme des Ermüdungstests der Hauptlagerdeckel
auf Ermüdungstestmaschinen
bewiesen. Durch Einstellen des Musters, das durch den 3P-Prozess
festgelegt ist, um eine gesteuerte Überlappung und eine gesteuerte
Dichte von Eindrückungen
bereitzustellen (die abhängig
von dem zu verfestigenden Material veränderbar sind), wurde die Ermüdungslebensdauer
des Hauptlagerdeckels um zumindest 15% verlängert. Bemerkenswert ist, dass der
Zeitzyklus zur Erzeugung eines akzeptablen Musters über dem
angezielten Be reich tatsächlich schneller
war als bei den jeweiligen herkömmlichen Prozessen.
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Ein
zusätzlicher
Nutzen des 3P-Prozesses betrifft den Qualitätssteuerungsaspekt bei Herstellung
im großen
Maßstab.
Der automatisierte Aufbau war bei weitem konsistenter als das Geschossverfestigen
bzw. das Luftkanonen-nadelverfestigen. Die einzige unkontrollierte
Variable ist die Abnutzungsrate des einzigen Karbideindrückorgans.
Durch Messen der Änderung
des Profils des einzigen Eindrückorgans
unter Verwendung eines Standardprofilvergleichgeräts kann
die Eindrückorganlebensdauer vorhergesagt
werden und das Eindrückorgan ändert sich
unter präventiven
Wartungsprozeduren.
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Es
ist wesentlich, darauf hinzuweisen, dass das Pulvermetallmaterial,
das für
diese Untersuchung herangezogen wurde, eine Duktilität einer 3%-Zuglängung besitzt.
Diese Erfindung kann im Bezug auf brüchige Materialien weniger effektiv
sein, da diese einer Mikrorissbildung unterliegen.
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Lokale Verdichtung
des Schraubenlochs durch Lochoberflächenverdichtung
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Eine
sorgfältige
Untersuchung von absichtlich mit Störstellen versehenen Lagerdeckeln
(aufgrund einer Überspannungserzeugung)
ergab, dass ein Ermüdungsriss,
der auf der Innenseite des inneren Schraubenlochs B in etwa auf
ein drittel Höhe ausgehend
von der Verbindungsfläche
J am dünnsten
Wandabschnitt auftrat, der sich bei dieser Störungsart ausgebildet hat, ist
in 1b gezeigt.
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Ein
an sich bekanntes Verfahren zum Verbessern des Oberflächenzustands
eines Lochs in einer herkömmlichen
Metallkomponente besteht darin, die Innenseite mit einem Polier-
bzw. Glättungswerkzeug
zu "glätten" bzw. zu "polieren". Das Werkzeug besteht
aus harten Stiften, die als Rollen zum Glätten der Oberfläche wirken,
und zwar unter Entfernung rauer Bereiche und unter Verbesserung
der Lochrundheit. Ein typisches Glätten von P/M-Löchern resultiert
in einer Aufweitung des Durchmessers des Loches um 0,025 bis 0,050
mm. In dieser Erfindung wurden Glättungswerkzeuge angewendet, um
das Loch auf ein viel größeres Ausmaß aufzuweiten,
und zwar über
die herkömmliche
Glättungswirkung
hinaus, um eine deutliche Oberflächenkompression
zu bewirken, die in einer Oberflächenverdichtung
resultiert. Experimente in Bezug auf Löcher in P/M-Stahl haben gezeigt,
dass der begrenzende Faktor für
die Oberflächenverdichtung
von der Materialduktilität
und der Ausgangsdichte abhängt,
dass die Grenze jedoch dem Punkt entspricht, wo die Oberflächenintegrität zusammenbricht
und kreisförmige
Risse sich auszubilden beginnen, welche auch als Orangenabschälen bezeichnet
werden. Wenn die Erfindung in die Praxis umgesetzt wird, werden
die Schraubenlöcheroberflächen signifikant
stärker
komprimiert als es normalerweise der Fall ist beim Glätten zur
Oberflächenglättung zur
Entfernung rauer Bereiche und zur Verbesserung der Lochrundheit.
Das Komprimieren erfolgt so stark, dass die Lochoberfläche verdichtet
wird, jedoch weniger stark als ein Komprimieren, das zur Rissbildung
der Oberfläche führt.
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Um
die Wirksamkeit dieser Technik zu evaluieren, wurde ein Pulvermetalllagerdeckel
ausgewählt und
die am stärksten
unter Spannung gesetzten bzw. belasteten Hauptschraubenlöcher wurden
progressiv mit größer werdendem
Ausmaß geglättet.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Anwendung des normalen "Oberflächenglättungsgrads" entsprechend Empfehlungen
in technischen Publikationen nicht zu einer Oberflächenverdichtung
führte. Durch "übermäßiges Glätten" bis gut über das empfohlene Niveau hinaus,
trat eine signifikante Verdichtung ein. Dies ist in 8 gezeigt,
die einen Querschnitt durch ein Schraubenloch B zeigt, das bezogen
auf den Durchmesser um 0,15 mm im Übermaß geglättet wurde (ausgehend von einem
Durchmesser von ungefähr
10,85 mm auf einen Durchmesser von 11 mm). 9 zeigt
die Dichte ohne übermäßige Glättung. Während das
Ausmaß der
Lochoberflächenverdichtung
in der Nähe
des Maximums vorteilhaft ist, führt
eine geringere Durchmesseraufweitung als 0,10 mm zu einem signifikanten
Vorteil für
die Erfindung. Die Erfindung zieht deshalb eine Lochwandungsaufweitung
von 0,10 mm bis zu derjenigen Grenze in Betracht, bei welcher Oberflächenrissbildung
beginnt, sich auszubilden, um die Lochoberflächen zu verdichten.
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10 zeigt
ein übermäßig geglättetes Schraubenloch
B, welches eine übermäßige Verformung
erlitten hat, was zum Orangenabschälen der Oberfläche führt. Der
optimale Grad der übermäßigen Glättung hängt ab von
der Pulvermaterialduktilität
und der Ausgangsdichte. Ein simuliertes Motortesten von unbehandelten
und über
die Maßen
geglätteten
Lagerdeckeln führte
zu einer Erhöhung
des Sicherheitsfaktors von 1,5 auf 1,75. Dies entspricht einer Verbesserung
der Ermüdungsbeständigkeit von
17%.
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Kombinieren des 3P- mit
dem Lochverdichtungsprozess
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In
einem Fall führte
der 3P-Prozess zu einer Beseitigung einer Ermüdungsstörstelle auf der Schraubenverbindungsoberfläche eines
speziellen übermäßig geglätteten Hauptlagerdeckels.
Die Störstelle
bewegte sich jedoch daraufhin zu dem inneren Schraubenloch. Wenn
die Kombination aus der 3P- mit der Schraubenlochverdichtung durch übermäßiges Glätten verwendet
wurde, war das Ergebnis ein noch stärkerer Hauptlagerdeckel.
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Es
ist deshalb wesentlich, den "schwächsten Verbindungs"-Bereich des Lagerdeckels unter heftiger
zyklischer Spannungsbelastung zu ermitteln und daraufhin die geeigneten
Behandlungen allein oder in Kombination anzuwenden.
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Lokale Verfestigung
von seitlichen Schraubengewinden durch verstärktes Gewindeformen
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Bei
der Hochleistungskonstruktion von Hauptlagerdeckeln werden seitliche
Schrauben B üblicherweise
verwendet, um den Zylinderblock zu versteifen (1c und 8).
Die Versteifung trägt dazu
bei, die Kappe zu verstärken
und sie reduziert außerdem
unerwünschtes
Geräusch,
das als NVH (Geräusch,
Vibration und Harschheit bzw. Noise, Vibration und Harshness) bekannt
ist. Diese seitlichen Schrauben D ziehen die Seitenwände des
Motorblocks einwärts
zur Bildung eines soliden verschraubten Aufbaus. Die Spannungen,
die auf diese Schrauben einwirken, können hoch genug sein, um die
Gewinde des P/M-Stahls abzulösen
(1c). Die Störstellenart
dieser Gewinde betrifft also nicht die Ermüdung, sondern das Abstreifen
während
es Zusammenbauprozesses, und genau dieses Problem soll durch diesen
Aspekt der Erfindung angesprochen bzw. überwunden werden.
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Die
herkömmliche
Art, Gewinde in einem Schraubenloch herzustellen, besteht darin,
Gewinde zu schneiden unter Nutzung eines Werkzeugs, das als "Gewindeschneider" bekannt ist. Ein
alternatives, weniger übliches
Verfahren zur Herstellung von Schraubenlochgewinden besteht darin,
Gewinde zu formen. In diesem Fall wird das Gewinde in eine Gewindeform
geformt, anstatt es zu schneiden. In herkömmlichem (nicht P/M)-Stahl
weist der Prozess Beschränkungen
auf aufgrund sehr hoher Spannungen, die mit einer ernsthaften Verformung
eines festen Materials einhergehen. Es ist schwierig, eine vollständige Gewindeform
ohne das Risiko eines Werkzeugbruchs zu erzielen.
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Es
wurde herausgefunden, dass dann, wenn anstelle eines Schneiden der
Gewinde in das P/M-Material mit einem Gewindeschneider, die Gewinde
durch Verformung geformt werden, ein signifikanter Grad an Gewindeverdichtung
möglich
ist. Die natürliche
Mikroporosität
des P/M-Prozesses kollabiert auf sich selbst (9)
unter Erzeugung einer dichteren Gewindeoberfläche. Zur Erzielung dieses Zustandes
ist es erforderlich, weit über
den normalen Verformungsgrad hinauszugehen, der bei festen Materialien
zum Einsatz kommt. Bei dieser Vorgehensweise wurde herausgefunden,
dass ein vollständig geformtes
Gewinde ohne das Risiko eines Werkzeugbruchs realisierbar ist.
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Tests
zeigten, dass die Verdichtung, erzielt durch verstärktes Gewindeformen,
die Beständigkeit des
P/M-Materials in Bezug auf Gewindestörstellen signifikant zunimmt.
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Simulierte
Produkttests von Hauptlagerdeckeln mit rollengeformten Gewinden
zeigen eine dramatische Verbesserung der Gewindefestigkeit. Das Diagramm
in 10 zeigt die Verbesse rung ausgehend von 71 N-m
bis 102 N-m, wobei es sich hierum 44% Gewinn an Gewindefestigkeit
handelt.