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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Wabenkörpers entsprechend der Präambel von
Anspruch 1 und auf eine Wabenstrangpressmatrize, entsprechend der Präambel von
Anspruch 2.
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In der
US
4,883,420 sind Strangpressmatrizen zum Strangpressen wabenstrukturierter
Körper veröffentlicht,
wobei die Matrizenzuführöffnungen
so gestaltet sind, dass sie koaxial angeordnete innere Umfangsflächenzonen
unterschiedlicher innerer Abmessungen aufweisen, welche eine Vielzahl
von Gängen
oder Kanälen
bzw. Rippen beinhalten. Verglichen mit herkömmlichen Strangpressmatrizen
ist jedoch der Fliesswiderstand der Matrizenzuführöffnungen wesentlich größer.
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Das Herstellen von anorganischen
Wabenstrukturen aus plastifizierten Pulverchargen, welche anorganische
Pulver aufweisen, welche in geeigneten Bindemitteln dispergiert
sind, ist weithin bekannt. In den US-Patenten Nr. 3,790,654, 3,885,977
und 3,905,743 sind Matrizen, Verfahren und Strukturen für eine derartige
Herstellung beschrieben, während in
den US-Patenten Nr. 4,992,233 und 5,011,529 Waben von ähnlicher
zellulärer
Struktur beschrieben sind, welche aus Chargen stranggepresst werden, welche
Metallpulver beinhalten.
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Das Herstellen von Strangpressmatrizen
für die
Produktion von keramischen Waben mit Hilfe dieser Verfahren erfordert
eine sextrem präzise
maschinelle Bearbeitung. Um Material dem geschlitzten Wabenaustragbereich
einer derartigen Matrize zuzuführen,
wird die Einlass- oder Chargenzuführseite der Matrize mit vielen Öffnungen
oder Zuführlöchern ausgestattet,
in welchen das plastifizierte Material, welches stranggepresst wer den
muss, hohem Druck ausgesetzt wird. Bei weicheren Stählen kann
das Zuführlochfeld
durch mechanisches Bohren gebildet werden, aber wenn die Matrize
aus härteren
Materialien, wie z. B. aus rostfreiem Stahl, herzustellen ist, ergeben
elektrochemische Bearbeitungstechniken häufiger bessere Ergebnisse.
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Beim elektrochemischen Bearbeitungsvorgang
(ECM-Vorgang), welcher auch als STEM-(Shaped Tube Electrolyte Machining-
bzw. Elektrolytbearbeiten mit Profilrohr-)Vorgang bezeichnet wird,
werden die Öffnungen
durch gesteuertes Abtragen (Ablösen)
des elektrisch leitenden Stahlwerkstücks gebildet. Eine elektrolytische
Zelle wird gebildet, wobei der Bohrer die negativ geladene Elektrode
(Kathode) aufweist, das Werkstück
die positiv geladene Elektrode (Anode) aufweist und der Elektrolyt
aus einer strömenden,
elektrisch leitenden Flüssigkeit
besteht.
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Bei der Herstellung von Strangpressmatrizen weist
der Bohrer (Kathode) gewöhnlich
ein Metallrohr aus Titan auf, welches eine isolierte äußere Oberfläche besitzt,
die sich zu einer offenen Spitze hin erstreckt. Dies verhindert
elektrolytische Wechselwirkung an jedem anderen Ort außer an der
Spitze des Rohres. Das Werkstück
besteht typischerweise aus einer hochgradigen, nicht rostenden Stahlplatte
oder einen Block, und die elektrisch leitende Elektrolytflüssigkeit
ist Salpetersäure.
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Um das elektrolytische Auflösen des
Stahls nahe an der Spitze des geformten Rohres zu steuern, um eine Öffnung zu
bilden, wird ein elektrisches Potenzial zwischen dem Rohr und dem
anodischen Werkstück
angelegt. Während
des Bohrvorgangs wird der Elektrolyt fortwährend durch das Bohrrohr gepumpt
und ist in Kontakt mit dem Stahlwerkstück, wodurch die elektrolytische
Zelle vervollständigt
wird, während
aufgelöster
Stahl von der Werkstückoberfläche weggespült wird.
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In dieser Phase des "Vorwärtszyklus
bzw.- arbeitsganges" des
Bohrvorgangs wird das elektrische Potenzial typischerweise mit einer
konstanten Spannung oder, mehr bevorzugt, mit einem konstanten Strom
gesteuert, und die Bohrrate oder die Zuführrate des Rohres wird mit
einem konstanten Wert gesteuert. Der Zweck dieser Steuerungen liegt
darin, so weit wie möglich
eine konstante Öffnung
und eine optimal glatte Öffnungsoberflächen-Endbeschaffenheit
zu erhalten. Im US-Patent Nr. 4,687,563 von Hayes, US-Patent Nr.
5,320,721 und 5,322,599 von Peters, US-Patent Nr. 5,507,925 von Brew und in
der veröffentlichten
EP-Anmeldung Nr.
EP 0 245 545 werden der
ECM-Prozess, wie er für
die Herstellung von Stahlstrangpressmatrizen angewendet wird, und die
Variationen bei diesen Prozessen beschrieben.
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Obwohl der ECM der Prozess der Wahl bleibt,
um große
Felder von feinen Löchern
in Werkzeugen, wie z. B. Strangpressmatrizen, zu bilden, verbleiben
dennoch Probleme bei diesem Prozess. Eine Schwierigkeit bezieht
sich auf die kleinen Veränderungen
in der Öffnungsoberflächen-Endbeschaffenheit,
welche gegenwärtig
willkürlichen
Veränderungen
bei den Herstellfaktoren, wie z. B. der Elektrolyttemperatur, der
Metallbeschaffenheit des Werkstücks,
elektrischem Kontakt und einer Unzahl von anderen Prozessvariablen
oder deren Zusammenwirkung zugeschrieben werden.
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Im Falle der Wabenstrangpressmatrizen
ist ein Effekt derartiger Variationen, dass die Oberflächenendbeschaffenheit
von Öffnung
zu Öffnung über das Öffnungsfeld
hinweg, welche den Einlass für
die Matrize bildet, variieren kann. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Fließfront im
Material, welches aus dem Auslass oder aus der Austragöffnung der
Matrize stranggepresst wird, führen,
ein Zustand, welcher zu einer Vielzahl von Defekten des Wabenprodukts führen kann,
wobei signifikante Variationen in den Zellabmessungen, den Zellformen
und den Zell banddicken in den Wabenstrukturen, welche stranggepresst
werden, beinhaltet sind, jedoch nicht auf diese begrenzt sind.
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In der Tat scheint die Beschaffenheit
der Zuführlöcher ein
fundamentaler Faktor bzw. Parameter zu sein, welcher die Fließeigenschaften
der Wabenstrangpressmatrizen beeinflusst, welcher bis jetzt entsprechend
der Fähigkeit
aufgrund des Standes der Technik nicht vollständig zu steuern ist. Diese
Unfähigkeit,
die Oberflächenendbeschaffenheit
zu steuern, bedeutet, dass der Strangpressprozess nicht in einem
Herstellungssystem arbeiten kann, welches optimal für Wabenherstellung
mit hoher Qualität
ist. Falls eine bessere Steuerung der Oberflächenbeschaffenheit möglich wäre, können ingenieurmäßig entworfene
Oberflächenbeschaffenheiten,
welche signifikante Verbesserungen bei stranggepresster Produktqualität liefern,
erhältlich
sein.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Prozess zur Herstellung eines Wabenkörpers aus
einem plastifizierten anorganischen Pulverchargenmaterial zu liefern
und eine Wabenstrangpressmatrize zu liefern.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird
durch Merkmale entsprechend dem Anspruch 1 gelöst, und außerdem liefert die Erfindung
eine Wabenstrangpressmatrize, welche einen Einlassabschnitt und
einen Auslassabschnitt bzw. Austragabschnitt besitzt, wobei der
Einlassabschnitt ein Feld von Zuführlochöffnungen 13 zum Aufnehmen
eines plastifizierten Chargenmaterials und zum Transportieren zu
einem Auslass- bzw. Austragabschnitt 17 zum Gestalten und
Strangpressen wie z. B. einen Wabenkörper aufweist, wobei die Zuführlochöffnungen
eine Vielzahl von inneren Umfangsflächenbereichen mit unterschiedlichen
inneren Abmessungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass:
die
Zuführlochöffnungen 13 eine
zyklische Änderung im
Seitenwandöffnungsdurchmesser
entlang wenigstens eines Abschnitts ihrer Länge mit einer Zyklusperiode
von 0,2–2
mm und einer Amplitude im Bereich von 1–10 Mikrometer aufweisen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
vermieden, dass die Oberflächenendbeschaffenheit
von Öffnung
zu Öffnung über das
Feld der Öffnungen
variiert, welches den Einlass für
die Matrize bildet. Dies wird durch verbessertes Steuern der Öffnungsoberflächenendbeschaffenheit
in einer Bohrwerkstatt erreicht, indem ein "Maskieren" oder das Überlagern eines Oberflächenendbeschaffenheitsmusters
an den Wänden
der Zuführlöcher in
der Matrize angewandt wird.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die Erfindung kann besser unter Bezug
auf die Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Teilquerschnitts eines Bereiches einer
herkömmlichen Wabenstrangpressmatrize
ist;
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2 ein
Oberflächenrauigkeitsprofil
für eine
ECM-Öffnung
ist, welche entsprechend dem Stand der Technik geliefert wird; und
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3 ein
Oberflächenrauigkeitsprofil
für eine
ECM-Öffnung
ist, welche entsprechend der Erfindung geliefert wird.
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Detaillierte
Beschreibung
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Ein Abschnitt einer Wabenstrangpressmatrize
der Art, wie sie entsprechend dem Stand der Technik zum Strangpressen
von keramischen Waben angewendet wird, wird schematisch in einem
Teil querschnitt in 1 der
Zeichnungen gezeigt. Wie in der Figur gezeigt wird, weist die Strangpressmatrize 10 Zuführlöcher 13 auf,
welche sich nach unten zur Matrizeneinlassseite (nicht gezeigt)
erstrecken, aus welcher Strangpresschargenmaterial über Zuführlöcher 13 zu
Zuführlöchertrichtern 15 und
von dort zu Auslassschlitzen 17 zugeführt wird. Die Auslassschlitze 17,
welche in die Zuführlöcher 13 bis
zu einer Tiefe eingeschnitten werden, welche im Querschnitt 12 der 1 gezeigt wird, lassen dann
das Chargenmaterial aufwärts
als eine Wabenstruktur aus der Auslassseite 18 der Matrize
austreten. Typischerweise werden die Zuführlöcher 13 an der offenen
Stelle des Stahls für
die Strangpressmatrize mit Hilfe von Tiefbohren oder ECM-Bearbeitung
gebildet.
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Beim herkömmlichen ECM-Prozess zum Bilden
eines Feldes von Öffnungen
in dem Strangpressmatrizen-Rohling werden sowohl die Bohrzuführrate und
der elektrische Strom durch den Elektrolyten so konstant als möglich gehalten.
Der Zweck des Beibehaltens einer konstanten Zuführrate und des Stromes liegt
darin, eine maximal mögliche
Glätte
an den Seitenwänden
der Zuführlochöffnungen
zu erhalten, so dass der Flieswiderstand in Richtung des Fließens eines
plastifizierten Pulverchargenmaterials durch die Zuführlöcher ein
Minimum betragen wird. In der Tat ist es herkömmliche Praxis, die Glätte des
Zuführloches
mit Hilfe eines Endbearbeitungsschrittes der Bohrapparatur bei jedem
der Zuführlöcher zu
optimieren, nachdem die Anfangslöcher
gebohrt wurden.
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2 der
Zeichnung zeigt die Oberflächenabtastung
eines dreidimensionalen Profilometers, welches an der Wand eines
typischen Zuführlochkanals
aufgenommen wurde, welcher durch herkömmliches ECM-Bearbeiten gebildet
wurde. Der Kanal, welcher in 2 gezeigt
wird, wurde durch einen Bohr- und Polierprozess gebildet, welcher
im Wesentlichen dem im US-Patent Nr. 5,320,721 beschriebenen entsprach,
wobei der Anfangsbohr schritt bei einem Durchschnittsstrom von ungefähr 165 Ampere
und einer Bohrzuführrate
von 1 mm/Minute durchgeführt
wurde.
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Der Maßstab des Abtastens in 2 gibt das Erfassen des
Profilometers eines Segments der Kanalwand wieder, ungefähr 4 mm
lang und ungefähr 0,3
mm breit, wobei die Variation der abgetasteten Höhe der Oberfläche in der
Größenordnung
von 10 Mikrometer ist. Wie aus dem Studieren bzw. genauen Betrachten
der Oberflächenabtastung
ersichtlich ist, verbleiben kleine, zufällige Oberflächenirregularitäten an den
Wänden
dieser Zuführlöcher, sogar
wenn dem Beibehalten eines konstanten ECM-Stromes und konstanter Bohrzuführrate beträchtliche
Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Der Gesamtwert der Oberflächenrauigkeit
(Ra) der Zuführlochseitenwand für die Oberfläche, welche
in 2 gezeigt wird, ist ungefähr 0,38
Mikrometer.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden
signifikante Verbesserungen in der Stabilität des Strangpressprozesses
durch Einführen
eines Vorgangs erreicht, welcher als eine zyklische oder periodische
Variation des Fließwiderstandes
in das Design des Zuführloches
charakterisiert werden kann. In einer speziellen Ausführungsform
wird diese Aufgabe mit einer Strangpressmatrize erreicht, wobei die
Zuführlöcher mit "gewellten" Seitenwänden ausgestattet
sind, d. h. die Zuführlöcher werden
so hergestellt, dass sie eine zyklische oder periodische Veränderung
im Kanaldurchmesser entlang wenigstens eines Teils ihrer Länge jedes
Zuführlochkanals
aufweisen.
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Ein spezielles Beispiel für eine Vorgehensweise
zum Entwickeln dieser so genannten "verwirbelten" (Verwirbelung erzeugenden) Zuführlöcher besteht
darin, den elektrischen Strom und die Bohrzuführrate während des ECM-Bohrens dieser
Zuführlöcher in
der Matrizenöffnung
periodisch zu verändern oder
zu pulsieren. Es wird ein einfacher Schaltalgorithmus verwendet,
um die Pulszeit, die Bohrzuführrate
und den Bohrstrom zu verändern, wenn
jedes Zuführloch
oder die Gruppe der Zuführlöcher gebohrt wird.
Das Ergebnis ist ein Zuführloch
mit einer leicht erhöhten
Oberflächenrauigkeit,
wobei aber diese Erhöhung
in erster Linie von einer sehr kleinen gleichmäßigen und periodischen Variation
des Zuführlochkanaldurchmessers
herrührt.
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In einem besonders bevorzugten gepulsten ECM-Verfahrens
weist der ECM-Bohrprozess abwechselndes Schalten zwischen einem
ersten Satz von Bohrbedingungen und einem zweiten Satz von Bohrbedingungen
auf. Der erste Satz weist das Bohren bei einem Bohrstrom von 162
Ampere (erhaltbar bei Spannungen von ungefähr 9 Volt) und eine Bohrzuführrate von
1 mm/Minute auf, wobei diese Bedingungen für 20 Sekunden beibehalten werden.
Der zweite Satz der Bedingungen beinhaltet das Bohren und einen
Bohrstrom von 200 Ampere (erhaltbar bei Spannungen von ungefähr 13 Volt)
und eine Bohrzuführrate
von 0,05 mm/Minute für
ein Bohrintervall von 12,5 Sekunden.
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In einem spezifischen Beispiel, welches
dieses Verfahren für
das Bilden eines Feldes von Zuführlöchern bei
einem typischen Strangpressenmatrizenrohling anwendet, wird ein
Zuführloch
ungefähr von
10,35 Inch Tiefe und 0,062 inch Durchmesser in einem Typ 422 P/M
eines Matrizenrohlings aus rostfreiem Stahl durch ECM-Bohren gebildet.
Während dieses
Bohrvorgangs werden die Bohrbedingungen zwischen den zwei Sätzen von
Bohrbedingungen, welche oben beschrieben werden, vorwärts und rückwärts geschaltet,
um eine periodische Variation des Ausmaßes bzw. der Höhe an Materialabtrag
von den Seitenwänden
des Zuführloches,
wenn es gebildet wird, zu gestalten.
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Nach Beendigung des Bohrvorgangs
wird das Zuführloch
der Profilometer-Analyse unterzogen, indem das gleiche Gerät und die
gleiche Vorgehensweise benutzt werden, welche benutzt wurden, um die
Daten, welche in 2 gezeigt
werden, zu generieren. Die sich ergebende Profilometerabtastung, welche
einen Ab schnitt der Zuführlochseitenwand von
ungefähr
4 mm in der Länge
und 0,15 mm in der Breite abdeckt, wird in 3 der Zeichnung dargestellt.
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Wie aus einer Untersuchung der 3 ersichtlich ist, zeigt
die Profilometerabtastung, welche gegeben wird, keine signifikante
Abnahme in den Unregelmäßigkeiten
der Oberfläche,
welche von unkontrollierten Variationen in dem ECM-Prozess herrühren, wie
er in 1 festgeschrieben
wurde. Jedoch ist diesen Unregelmäßigkeiten eine periodische,
nahezu sinusförmige
Veränderung
der Oberflächenhöhe überlagert,
welche einen Bereich von –4
bis +4 Mikrometer erfasst, welche direkt von dem gepulsten ECM-Bohrvorgang
herrührt.
Diese periodische Variation mit kleiner Abmessung, welche einer
kleinen periodischen Variation im Durchmesser des Zuführloches
entspricht, bewirkt in der Tat ein Anwachsen des durchschnittlichen
Rauigkeitswertes (Ra) für
das Zuführloch,
in diesem Fall auf Werte zwischen 2 und 2,5 Mikrometer.
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Etwas unerwartet zeigen Wabenstrangpressmatrizen,
welche Zuführlöcher mit
periodisch variierenden Oberflächenprofilen,
wie sie in 3 gezeigt
werden, aufweisen, signifikant verbesserte Strangpresseigenschaften,
trotz der etwas höheren Profilometer-Rauigkeit
der Zuführlöcher. Spezielle Prozessverbesserungen
beinhalten gleichmäßigere Ausflussfronten
und geringeres Biegen oder "Ausbeulen" der stranggepressten
Wabenformen. Diese Vorteile sind klar der sehr gleich bleibenden
Effekt der Oberflächenendbeschaffenheit
von Loch zu Loch zuzuordnen, welcher in den Zuführlöchern hergestellt wurde, welche
die glattere, aber mehr zufällige
Oberflächenendbeschaffenheit
in den Schatten stellt, welche durch herkömmliche ECM-Bohrverfahren erzeugt wird.
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Noch ein anderer Vorteil der Wabenstrangpressmatrizen
der Erfindung bezieht sich auf den Langzeitstabilisiereffekt der neuen
Zuführlochgestaltung
auf den Strangpressvorgang. Die Abnutzung der Matrize während des
Strangpressens von plastifizierten keramischen Pulvermaterialien
kann beträchtlich
sein. Diese Veränderungen
beeinträchtigen das
Verhalten des Bildens der Matrize, wobei häufige Veränderungen in der damit verbundenen
Hardware zum Bilden der Wabe erforderlich sind, wie z. B. der Masken,
welche benutzt werden, um glatte Aussenschichtoberflächen auf
den Wabenkernen zu bilden, um das Gebrauchen der speziellen Matrize
fortzusetzen.
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Strangpressmatrizen, welche "verwirbelte" Zuführlochprofile
aufweisen, welche durch gepulstes ECM-Bohren, wie oben beschrieben,
hergestellt wurden, tendieren auch dazu, viel kleinere abnutzungsbezogene
Veränderungen
im Strangpressverhalten zu zeigen. In einigen Fällen wird ein Strangpressverhalten
erreicht, welches ausreichend stabil ist, ein 20faches Anwachsen
des Betrages an Material zuzulassen, welches aus einer einzelnen
Matrize ohne Wechseln einer damit verbunden Hardware zum Bilden
der Wabe stranggepresst wird. Diese verbesserte Stabilität reduziert
die Herstellkosten beträchtlich, was
vergeudetem Chargenmaterial und Ausfallzeit der Produktionslinie
zuzuordnen ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf verhältnismäßig einfache,
kurz- oder langzeitige Zuführloch-Seitenwandprofilveränderungen
beschränkt,
so wie sie durch das oben beschriebene Pulsen des Stromes und der
Zuführrate
hergestellt werden. Stattdessen könnte das Pulsen der Spannung,
des Stromes oder der Zuführrate
durch komplexere Funktionen im Vorwärtszyklus ersetzt werden. Z.
B. könnte
komplexeres Strompulsieren angewendet werden, um eine Kombination
von kurzen und langen Seitenwandprofilveränderungen einzuführen, oder die
Bohrbedingungen könnten
in anderer Weise variiert werden, um eine komplexere Oberflächenbeschaffenheit
oder ein komplexeres Höhenprofil
des Zuführloches "einzuprogrammieren", um am besten den Ansprüchen eines
speziellen Strangpressprozesses oder des zum Strangpressen geeigneten
Materials zu entsprechen.
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Ein spezielles Beispiel eines gepulsten ECM-Bohrvorgangs
dieses Typs ist ein gepulster Strom I(t) mit periodischer Form: I(t) = I1sin(w1*t) + Issin(ws*t + r)wobei:
I(t) = Netzbohrstrom
I1 = Spitzenlangzeitstrom
Is =
Spitzenkurzzeitstrom
w1 = Frequenz
des Langzeitstromzyklus
ws = Frequenz
des Kurzzeitstromzyklus
r = Phasenwinkel, falls gewünscht
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In ähnlicher Weise ist die Erfindung
nicht auf Variationen im Fließwiderstand
begrenzt, welche nur durch Fluktuieren der Zuführlochseitenwandprofile geliefert
werden. Alternative Vorgehensweisen könnten periodische Veränderungen
in der Oberflächenendbeschaffenheit
des Zuführloches
beinhalten oder sogar periodische Veränderungen in der Kanalform des
Zuführloches
oder dessen Richtung. Diese und zahlreiche andere Veränderungen
an den Verfahren und an dem Gerät,
welches hier oben beschrieben wurde, können von Fachleuten angewendet
werden, entsprechend dem Umfang der nachfolgenden Patentansprüche.