-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung
von Werkstücken
aus Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (MMC) zur Formung von Teilen
wie Pleuelstangen, Kolben, Bremsscheiben und anderen mechanischen
Bauteilen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe
(MMC) sind in den letzten zehn Jahren bekannt geworden. Bei den
MMC-Werkstoffen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, die aus einem
Binderwerkstoff wie Aluminium, Titan oder Legierungen dieser Stoffe
bestehen und eine Verstärkung
durch Beimischung von Fasern oder Partikeln solcher Stoffe wie Siliziumkarbid,
Borkarbid oder Aluminiumoxid aufweisen. Typischerweise beträgt der Anteil
Verstärkungsmaterial
zwischen etwa 15 Gewichts-% bis zu etwa 70 Gewichts-% des MMC-Werkstoffs.
MMC-Werkstoffe mit einem niedrigeren Anteil Verstärkungsmaterial
als ca. 15% werden in dieser Beschreibung nicht als MMC-Werkstoffe
einbezogen, da solche Werkstoffe mit den Hilfsmitteln bearbeitet
werden können,
die normalerweise bei der Bearbeitung des Binderwerkstoffs ohne
die Verstärkung
benutzt werden.
-
MMC-Werkstoffe
besitzen sehr interessante Eigenschaften, die abhängig vom
Einsatzgebiet maßgeschneidert
werden können,
wodurch solche Vorteile erzielt werden wie geringeres Gewicht, höhere Festigkeit,
höhere
Steifigkeit und bessere Langzeitfestigkeit des jeweiligen Teils
als durch die Anwendung konventioneller Werkstoffe für das spezifische
Einsatzgebiet erreicht werden können.
-
Die
Fahrzeugtechnologie, bei der schnell bewegliche Teile, wie Pleuelstangen,
zweckmäßigerweise
mit Hilfe dieser Metallverbundwerkstoffe ausgeführt werden können, ist
ein Beispiel für
eine Einsatzgebiet für
MMC-Werkstoffe. Fahrzeughersteller versuchen konstant, höhere Leistung
in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Vibrationen, Lärm, Komfort
und dergleichen zu erreichen. Wichtig in Bezug auf all diese Parameter
ist ein verringertes Gewicht, insbesondere bei nicht-nachgiebigen Massen und
schnell beweglichen Motorteilen. Besonders in Verbindung mit Wettbewerbstätigkeiten,
wenn Kraftfahrzeuge benutzt werden, sind die oben genannten Eigenschaften
bei Motorteilen sehr erwünscht.
Pleuelstangen stellen, wie genannt, ein Beispiel für solche Bauteile
dar, bei denen ein verringertes Gewicht sehr vorteilhaft ist.
-
Bei
Rennsportaktivitäten
für Fahrzeuge
werden leichte Werkstoffe wie Aluminium, Titan oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffe
allgemein an Stelle von Stahl bei den genannten Typen von Bauteilen verwendet.
-
Ein
anderer, interessanter Anwendungsbereich für MMC-Produkte sind Bremsscheiben
für Personenkraftwagen,
Lastkraftwagen und Züge.
-
Ein
größerer Nachteil
bei der Anwendung von MMC-Werkstoff besteht darin, dass der Werkstoff
sehr schwer zu bearbeiten gewesen ist. Bei der Formung eines Bauteils,
bei dem ein MMC-Werkstoff vorkommt, kommen Verfahren wie Gießen des
Bauteils in einer Gießform,
die weitgehend der fertigen Form des Bauteils entsprechen, zur Anwendung.
Ein anderes Verfahren besteht in der Anwendung eines geschmiedeten
Werkstücks
oder einen Teil einer stranggepressten Stange, wobei Funkenerosion
der Oberfläche
des Bauteils und konventionelle maschinelle Bearbeitung zur Anwendung
kommen können, um
die endgültige
Form des Bauteils zu erhalten. Versuche sind unternommen worden,
zum Beispiel Pleuelstangen für
Motorräder
unter Anwendung in der Herstellung konventioneller Bearbeitungsverfahren
herzustellen. Hierbei wurde der Zweck erfüllt, zum gewünschten
Bauteil mit seinen gewünschten Eigenschaften,
wie niedrigerem Gewicht, zu kommen. Die Anwendung einer solchen
Pleuelstange in einem Motor hat als Ergebnis zu einem Motor geführt, der
drehzahlwilliger ist, und bei dem weniger niedrigfrequente Vibrationen
im Motor erzeugt werden. Ein Problem besteht jedoch darin, dass
die Kosten für
die Herstellung des Motorteils sehr hoch sind, was mit sich führt, dass
die Anwendung auf solche Gebiete eingeschränkt oder begrenzt ist, bei
denen die Kosten von weniger Bedeutung sind.
-
Eine
Anzahl von Patentschriften legt verschiedene Verfahren für eine Endform-Formung bei aus MMC-Werkstoffen
hergestellten Bauteilen offen. Das US-Patent 5,765,667 sei hier
als ein Beispiel genannt. In diesem Patent ist ein Verfahren zur
Herstellung eines Bauteils beschrieben, in diesem Beispiel eine
Scheibenbremse, durch Gießen
des Bauteils zu einer Form, die sehr nahe der endgültigen Form
des Bauteils entspricht, um – und
dies seit nachdrücklich betont – weitest
gehend den Bedarf einer Bearbeitung durch spanende Werkzeuge auszuschalten.
Für den
Fachmann ist es einsichtig, den Bedarf an Bearbeitung mit spanenden
Werkzeugen zu vermeiden, da der MMC-Werkstoff, wenn er aus Aluminium
als Grundwerkstoff und einer Verstärkung in Form von Silizumkarbidpartikeln
genau die gleiche Zusammensetzung aufweist, die normalerweise bei
spanenden Schleifwerkzeugen verwendet wird.
-
Die
im MMC-Werkstoff eingebetteten Siliziumpartikel haben eine verheerende
Wirkung auf die Schneidwerkzeuge bei einer Bearbeitung unter Anwendung
konventioneller Bearbeitungstechnik, da die Schneiden der Schneidwerkzeuge
durch die schleifenden Partikel im Verbundwerkstoff schnell abgenutzt
werden.
-
Im
Konferenzpapier: 30th ISIATA, ISBN:0-9477119-94-6, „Materials
for Energy-Efficient Vehicles;
Paint and Powder Coating Application in the Automotive Industries,
Florence, Italy, 16.17 Jun. 1997, beschreiben Dr. L. IULIANO, Mr.
L. SETTINERI und Mr. A. GATTO ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauteils aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff unter Einsatz
recht hoher Schnittgeschwindigkeiten. Der Gehalt an Verstärkung beträgt bei dem Versuchswerkstoff
etwa 10%. Es wird gezeigt, dass bei jeder Schnittgeschwindigkeit
sich der Werkzeugverschleiß mit
zunehmender Vorschubgeschwindigkeit bis zu einem bestimmten Wert
verringerte. Allerdings befasst sich das Papier nicht mit der Bearbeitung
von MMC-Werkstoffen mit höherem
Verstärkungsgehalt,
wenn die Schneidwerkzeuge durch die schleifen den Partikel schnell
abgenutzt werden.
-
Die
vorliegende Erfindung zeigt eine unerwartete Lösung des oben beschriebenen
Problems.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Ein
Aspekt der Erfindung gründet
sich auf ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks aus einem MMC-Verbundwerkstoff
mit Hilfe ein nachstehend so genannten Hochgeschwindigkeitsmaschine
(abgekürzt
HSM), wobei einem Bauteil durch dieses Bearbeitungsverfahren direkt
die endgültige
Form gegeben werden kann. Das Werkstück kann aus Schmiedeguss oder
Guss oder ein Teil einer stranggepressten Stange oder ein Roherzeugnis
aus anderweitiger Herstellung sein.
-
Die
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bedeutet, dass das Schneidwerkzeug
verglichen mit konventioneller Bearbeitungstechnik mit einer sehr hohen
Geschwindigkeit im Verhältnis
zu dem bearbeitenden Werkstück
arbeitet. Die Schneidwerkzeuge von gegenwärtigem Interesse sind vorzugsweise Fräs- und Bohrwerkzeuge.
-
So
wie der Begriff „Hochgeschwindigkeitsbearbeitung" (HSM) in dieser
Schrift benutzt wird, ist darunter ein Verfahren zu verstehen, das
sich von konventionellen Bearbeitungsverfahren unterscheidet. Es
kommt gelegentlich vor, dass mit diesem Begriff auch konventionelle
Verfahren bezeichnet werden, wenn neue Verfahren erscheinen, um
die Grenzen der konventionellen maschinellen Bearbeitung in höhere Bereiche
vorschieben. So ist, wie aus dem Nachstehenden hervorgehen wird,
der Begriff hier nicht zu verstehen.
-
Die
HSM-Bearbeitung ist gekennzeichnet durch:
- – sehr hohe
Schnittgeschwindigkeiten.
- – hohe
Scherspannungsgeschwindigkeit (die Fähigkeit, einen Span vom Werkstück zu trennen)
- – eine
sehr hohe Energiedichte je Zeiteinheit wird vor der Schneide erzeugt
(typischer Wert: MW/mm3),
- – bei
der Spanbildung herrscht örtlich
an der Wendeplatte eine sehr hohe Temperatur.
- – der
Span fließt,
ohne Berührung
mit der Schneide zu haben,
- – die
Scherkräfte
nähern
sich asymptotisch dem Wert null.
-
Nachstehend
folgen einige Beispiel für
hohe Schnittgeschwindigkeiten bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
einiger Werkstoffe gemäß der vorliegenden
Erfindung:
- – Aluminium ca. 3000 m/min
(konventionell ca. 100–300
m/min)
- – Titan
ca. 15000 m/min (konventionell ca. 15.100 m/min).
-
Die
Ermittlung der richtigen Schnittgeschwindigkeit ist abhängig von
der Art des zu bearbeitenden Werkstoffs, um die vorstehend diskutierten
Zustände zu
erhalten, die als kennzeichnend für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
genannt werden. Dies kann, was für
den Fachmann einsichtig ist, ohne übertriebenes Experimentieren
erfolgen, wenn er sich dieser Offenlegung bewusst ist.
-
Bei
Versuchen zur Ermittlung einer optimalen Schnittgeschwindigkeit
für eine
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines neuen Werkstoffs können die
Scherkräfte
untersucht werden. Diese Kräfte
nähern
sich asymptotisch dem Wert null, wenn die Kriterien für den Zustand
der HSM-Bearbeitung erreicht sind. Demzufolge kann gesagt werden,
dass der HSM-Zustand ansteht, wenn die Scherkräfte mit zunehmenden Schnittgeschwindigkeiten
abnehmen. Beim genannten HSM-Zustand besteht das Ziel darin, eine
optimale Schnittgeschwindigkeit für den bearbeiteten Werkstoff
festzulegen. Bei konventioneller Bearbeitung nehmen die Scherkräfte mit
zunehmenden Schnittgeschwindigkeiten zu. Dies bedeutet, so wie dies
nun zu verstehen ist, dass die Scherkräfte als eine Funktion der Schnittgeschwindigkeit
durch eine Kurve dargestellt werden können, die einen globalen Höchstwert
(lokale Höchstwerte
oder Mindestwerte können
vorkommen, hat. Wenn die Bearbeitungsdaten solcher Art sind, dass
die Bearbeitung auf der ansteigenden Seite der Kurve ausgeführt wird, handelt
es sich weiterhin um eine konventionelle Bearbeitung. Andererseits
liegt ein HSM-Zustand vor, wenn die Bearbeitung unter solchen Bedingungen ausgeführt wird,
dass die Bearbeitung auf der abfallenden Seite der Kurve ausgeführt wird,
oder, mit anderen Worten: eine HSM-Bearbeitung liegt vor, wenn der
globale Höchstpunkt
vergangen ist.
-
Ein
anderer Vorteil durch die Anwendung der HSM-Bearbeitung besteht
darin, dass der Span den größeren Teil
der im Schneidpunkt erzeugten Wärme aufnimmt,
typischerweise 80%, wobei ein Werkstück im Wesentlich unbeeinflusst
von der bei der Bearbeitung erzeugten Wärme gehalten wird.
-
Es
hat sich gezeigt, dass die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung unerwartet
gute Ergebnisse bei Einsatz bei MMC-Werkstoffen erbringt. Ungeachtet des
großen
Anteils schleifender Substanzen im Werkstoff scheint es, als ob
die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe über eine
lange Zeit beibehalten, als blieben sie unbeeinflusst vom Vorkommen
der schleifenden Substanzen im MMC-Werkstoff. Die dahinter liegenden
Ursachen sind nicht ganz verstanden, wie die Verläufe innerhalb
des Werkstoffes, damit ist gesagt, es ist noch nicht richtig bekannt,
was bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung des MMC-Werkstoffs in
der Tat mit dem Werkstoff im Zerspanungspunkt geschieht. Eine Theorie
geht darauf hinaus, dass der vom Werkstoff abgetrennte Span bis
zu einem gewissen Ausmaß in
einen flüssigen
Zustand in einem begrenzten Raum unmittelbar vor der Schneide des
Schneidwerkzeugs gebracht wird, und dass die eingebetteten Schleifpartikel,
die zum Beispiel aus Siliziumkarbid, Borkarbid oder Aluminiumoxid bestehen,
durch die gebildete Aufladung abtransportiert werden, ohne dass
sie in direkten Kontakt mit der Schneide des Werkzeugs gekommen
sind. Dies wäre eine
Erklärung
dafür,
weshalb die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe beibehalten, ganz im Gegenteil
zu dem, was für
konventionelle Bearbeitung zutrifft.
-
Es
sind Versuche durchgeführt
worden, eine Pleuelstange mit der HSM-Bearbeitung aus einem MMC-Werkstoff
herzustellen. Diese Versuche waren außerordentlich viel versprechend.
Wenn die Maschinen die vorschriftsmäßigen Einstellungen in bezug auf
Spindelgeschwindigkeit, Schneidgeschwindigkeit, Werkzeugvorschub
usw. hatten, wurden gute Bearbeitungsergebnisse verzeichnet. Als
ein Beispiel sei genannt, dass beim Formen eines Prototypen einer
Pleuelstange, ausgeführt
in MMC-Werkstoff
bis zur endgültigen
Form einerseits durch konventionelle Verfahren und andererseits
durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung die Kosten für die Herstellung
der Pleuelstange um mehr als das Vierzigfache reduziert werden konnte.
Bei einer Serienfertigung von MMC-Bauteilen entsprechend der Erfindung
besteht die Möglichkeit,
die Kosten noch mehr zu senken.
-
Noch
weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann
einsichtig aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, worin
ausschließlich
die vorgezogenen Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, einfach durch Darstellung
der für
am Besten betrachteten Art zur Durchführung der Erfindung. Wie einzusehen
ist, bietet die Erfindung Möglichkeiten
zu anderen und verschiedenen Ausführungsformen, und ihre verschiedenen
Einzelheiten besitzen Möglichkeiten
zu Modifikationen in verschiedener offensichtlicher Hinsicht ohne
Abweichung von der Erfindung. Dementsprechend ist die Beschreibung
als erläuternder
und nicht als einschränkender
Art zu betrachten.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt ein Beispiel einer
Versuchsarbeit, bei der ein Stück
aus MMC-Werkstoff durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung aus einem
Rohling geformt worden ist.
-
2 stellt ein Beispiel eines
Motorteils dar, in diesem Fall eine Pleuelstange, die mit Hilfe
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt worden ist.
-
Beste und
verschiedene Arten zur Durchführung
der Erfindung
-
Eine
Anzahl von Beispielen experimenteller Versuche zur Auswertung des
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 zeigt einen Flansch 1,
der aus einem aus einem MMC-Werkstoff hergestellten Rohling 2 hergestellt
worden ist, wobei eine Fräsmaschine
dazu benutzt worden war, allen Rohwerkstoff des Rohlings 2 rund
um den künftigen Flansch 1 zu
entfernen. Der Flansch 1 weist in diesem Fall die Form
eines L auf und hat eine Werkstoffdicke von 1 mm und eine Länge von
45 und 15 mm bei den jeweiligen Seiten des L. Die bei diesem Beispiel
benutzten Einstellungen für
die Bearbeitung sind: Spindeldrehzahl 15000/min, Schneidgeschwindigkeit
565 m/min und Vorschubgeschwindigkeit 3000 mm/min. Die erforderliche
Zeit zum Formen des Flansches 1 gem. 1 betrug 2,5 Minuten. Die Abnutzzeit
der Schneidwerkzeuge errechnet sich auf Stunden. Das Werkstück gem.
der Figur ist aus einem MMC-Werkstoff
mit einem Anteil von 40% Siliziumkarbid im Werkstoff hergestellt.
-
Versuche
sind auch mit Hilfe von Bohrungen in MMC-Werkstoffen mit einem Anteil
von 40% SiC durchgeführt
worden. Eine Anzahl von Löchern
ist mit 6,9 mm HM-Bohrern
gebohrt worden, wobei sich die Spindeldrehzahl auf 15000/min und
die Vorschubgeschwindigkeit auf 3000 mm/min beliefen. Die Abnutzzeit
des Bohrers war in diesem Fall so lang, dass der Bohrer bis zu 1000
Bohrlöcher
hielt.
-
2 zeigt ein Beispiel eines
Teils für
einen Motor, in diesem Fall eine Pleuelstange, direkt aus einem
Rohling aus MMC-Werkstoff hergestellt, das bis zu seiner endgültigen Form
als Pleuelstange gemäß der Figur
durch eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gemäß der Erfindung bearbeitet
worden ist. Die Kosten für
die Herstellung einer Pleuelstange gem. 2 und hergestellt aus MMC-Werkstoff sind
niedrig, und gleichzeitig zeigt die Pleuelstange folgende Vorteile
gegenüber
aus anderen Werkstoffen hergestellten Pleuelstangen auf:
- – verglichen
mit Stahl: geringere Masse;
- – verglichen
mit Titan: geringere Masse, höhere Steifigkeit;
- – verglichen
mit Aluminium; höhere
Steifigkeit, höhere
Streckgrenze, höhere
Ermüdungsfestigkeit, Wärmeausdehnungsbeiwert
gleichwertig dem Stahl einer angrenzenden Kurbelwelle;
- – verglichen
mit Faserverbundwerkstoff: niedrigerer Preis, isotropische Ei genschaften,
Wärmeausdehnungsbeiwert
gleichwertig dem Stahl einer angrenzenden Kurbelwelle.
-
Durch
eine Bearbeitung nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wurden die guten Ergebnisse erzielt durch die Anwendung von Schneidwerkzeugen,
die aus beschichtetem Hartmetall hergestellt und mit einer inneren
Kanalkühlung versehen
waren, sowie durch die Anwendung von Diamantwerkzeugen. Durch die
Anwendung von Diamantwerkzeugen werden lange Standzeiten bei den Werkzeugen
bis zu 40% Karbidgehalt im MMC-Werkstoff erreicht. Wenn der Karbidgehalt
so hoch wie 70% ist, werden immer noch gute Ergebnisse erzielt.
-
Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ist anwendbar bei allen Typen von Bauteilen, die aus einem MMC-Werkstoff
hergestellt werden sollen, wenn eine maschinelle Bearbeitung im
Hinblick auf die endgültige
Form des Teils möglich
ist. Das Verfahren ist somit nicht auf die dargestellten Beispiele
begrenzt, sondern kann bei allen Bauteilen Anwendung finden, wo
die Wahl eines MMC-Werkstoffs vorteilhaft ist. Einige Beispiele,
die hier zu nennen seien, sind Motorteile, mechanische Strukturen
für Raumfahrzeuge,
Mechanik für
Instrumente, Bremsscheiben für Fahrzeuge
u. dgl. Darüber
hinaus sind aus MMC-Werkstoff hergestellte Bremsscheiben vorteilhaft
im Hinblick auf das niedrige Gewicht verglichen mit Stahl, was dazu
beiträgt,
die Rotationsenergie, die vor dem Verzögerungsvorgang in den Bremsscheiben
gespeichert ist, zu verringern, ein Zustand, der von gewisser Bedeutung
bis Zügen
ist, wo jede Radachse meistens mit einer Anzahl von rotierenden Bremsscheiben
versehen ist, die aus Stahl hergestellt sind.
-
Die
vorhergehende Beschreibung der Erfindung erläutert und beschreibt die vorliegende
Erfindung. Darüber
hinaus zeigt und beschreibt die Offenlegung nur die vorgezogenen
Ausführungsformen der
Erfindung, aber, wie oben genannt, ist zu verstehen, dass die Erfindung
die Möglichkeiten
für eine Anwendung
in verschiedenen anderen Kombinationen, Modifikationen und Umgebungen
besitzt. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind eher vorgesehen,
die besten bekannten Arten der Durchführung der Erfindung zu erläutern und
anderen Fachleuten die Möglichkeit
zu bieten, die Erfindung bei solchen oder anderen Ausführungsformen und
mit den verschiedenen Modifikationen auszunutzen, die für den einzelnen
Anwendungs- oder Gebrauchsfall der Erfindung erforderlich sind.
Dementsprechend ist die Beschreibung nicht vorgesehen, die Erfindung
auf die hier offengelegte Form zu begrenzen. Außerdem ist beabsichtigt, dass
die beiliegenden Ansprüche
so aufzufassen sind, dass alternative Ausführungsformen enthalten sind.