DE69925766T2 - Bearbeiten von Metallmatrixverbundmaterial durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung - Google Patents

Bearbeiten von Metallmatrixverbundmaterial durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerspanen von Werkstücken aus MMC-Material (Metallmatrix-Verbundstoff) zum Gestalten von Komponenten wie Kolbenstangen, Kolben, Bremsscheiben und sonstigen mechanischen Teilen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Als MMC-Materialien bezeichnete Konstruktionswerkstoffe sind im letzen Jahrzehnt bekannt geworden. MMC-Materialien sind Verbundstoffe, die aus einem Bindematerial wie Aluminium, Titan oder Legierungen davon mit Verstärkungen durch Beimischung von Fasern oder Partikeln aus Substanzen wie Siliciumcarbid, Borcarbid oder Aluminiumoxid gebildet sind. Typischerweise beträgt der Verstärkungsgehalt etwa 15 bis etwa 70 Gew.-% des MMC-Materials. MMC-Materialien mit einem geringeren Verstärkungsgehalt als etwa 15% werden in der vorliegenden Beschreibung nicht als MMC-Materialien bezeichnet, da solche Materialien mit Mitteln hergestellt werden können, die gewöhnlich zum Herstellen des Bindematerials ohne Verstärkung zum Einsatz kommen.
  • MMC-Materialien haben sehr interessante Eigenschaften, die auf den Einsatzbereich maßgeschneidert werden können, so dass Vorteile wie z.B. die erzielt werden, dass ein Teil leichter, stärker, starrer wird und dass dem Teil bessere Haltbarkeitseigenschaften verliehen werden, als dies mit konventionellen Materialien in dem spezifischen Einsatzbereich möglich ist.
  • Ein Beispiel für einen Einsatzbereich von MMC-Materialien, in dem sich schnell bewegende Teile wie z.B. Kolbenstangen geeigneterweise mit diesen Metallverbundstoffen hergestellt werden können, ist die Fahrzeugtechnik. Fahrzeughersteller versuchen ständig, immer höhere Leistungen in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Vibrationen, Geräusche, Komfort und dergleichen zu erzielen. Wesentlich in Bezug auf alle diese Parameter ist die Reduzierung des Gewichts, insbesondere das der starren Masse und von sich schnell bewegenden Motorteilen. Besonders in Wettbewebsaktivitäten, in denen Kraftfahrzeuge beteiligt sind, sind die oben erwähnten Eigenschaften für Motorteile sehr wünschenswert. Kolbenstangen sind, wie erwähnt, ein Beispiel für solche Teile, bei denen eine Gewichtssenkung sehr günstig ist.
  • Im Rennwagenbereich werden im Allgemeinen Materialien wie Aluminium-, Titan- oder Kohlefaserverbundstoffe anstatt Stahl für die erwähnten Teiletypen eingesetzt.
  • Ein weiterer interessanter Anwendungsbereich für MMC-Produkte sind Bremsscheiben für Autos, Lkws und Züge.
  • Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von MMC-Material besteht darin, dass sich das Material nur sehr schwer zerspanen lässt. Beim Gestalten eines Teils mit einem MMC-Material werden Methoden wie Gießen des Teils in eine Form angewendet, die sehr stark der endgültigen fertigen Form des Teils ähnelt. Eine weitere Methode besteht darin, ein geschmiedetes Werkstück oder einen Abschnitt eines stranggepressten Stabes zu verwenden, wobei Funkenerosionsbearbeitung der Oberfläche des Teils und eine konventionelle Zerspanung angewendet werden können, um die endgültige Form des Teils zu erhalten. Es wurden Versuche unternommen, um beispielsweise Kolbenstangen für Motorräder mit konventionellen Zerspanungsmethoden zu erzeugen. Dabei wurde der Zweck der Herstellung des gewünschten Teils mit seinen gewünschten Eigenschaften, wie z.B. geringeres Gewicht, erzielt. Der Einsatz einer solchen Kolbenstange in einem Motor ergab einen Motor, der bereiter ist, in einem höheren Gang zu fahren, und bei dem ferner weniger Vibrationen erzeugt werden. Das Problem ist jedoch, dass die Kosten für die Herstellung des Motorteils sehr hoch sind, was bedeutet, dass der Einsatz auf Bereiche beschränkt oder begrenzt ist, in denen Kosten eine geringere Rolle spielen.
  • Eine Reihe von Patentdokumenten offenbaren verschiedene Methoden zum Fertiggestalten von Teilen aus MMC-Materialien. Das US-Patent 5,765,667 wird hier als ein Beispiel angeführt. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Teils, in diesem Fall einer Bremsscheibe, durch Gießen zu einer Gestalt, die der endgültigen Form des Teils möglichst ähnlich ist, um, und dies wird deutlich ausgedrückt, die Notwendigkeit für ein Zerspanen mit Schneidwerkzeugen möglichst zu vermeiden. Es wird für die Fachperson offensichtlich sein, die Notwendigkeit für eine Zerspanung mit Schneidwerkzeugen zu vermeiden, da das MMC-Material, wenn es aus einer Aluminiumbasis und Verstärkungspartikeln aus Siliciumcarbid besteht, genau die Zusammensetzung hat, die gewöhnlich zum Schleifen von Schneidwerkzeugen verwendet wird.
  • Die in dem MMC-Material eingebetteten Siliciumpartikel haben beim Zerspanen mit einer konventionellen Zerspanungstechnik einen verheerenden Effekt auf die Schneidwerkzeuge, da die Kanten der Schneidwerkzeuge durch die Schleifpartikel in dem Verbundstoff schnell abnutzen.
  • Der Konferenzartikel von der 30th ISIATA, ISBN: 0-9477119-94-6, "Materials for Energy-Efficient Vehicles; Paint and Powder Coating Application in the Automotive Industries", Florenz, Italien, vom 16.-19. Juni 1997, Dr. L. IULIANO, Mr. L. SETTINERI, Mr. A. GATTO, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Metallmatrix-Verbundmaterial mit recht hohen Schneidgeschwindigkeiten. Der Verstärkungsgehalt in dem experimentellen Testmaterial betrug etwa 10%. Es wird gezeigt, dass bei jeder Schneidgeschwindigkeit der Werkzeugverschleiß mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit bis zu einem bestimmten Wert reduziert wird. Der Artikel befasst sich jedoch nicht mit dem Zerspanen von MMC-Materialien mit höherem Verstärkungsgehalt, bei denen die Schneidwerkzeuge durch die Schleifpartikel in dem Material rasch abnutzen.
  • Die vorliegende Erfindung bietet eine unerwartete Lösung für das oben beschriebene Problem.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Aspekt der Erfindung basiert auf einem Verfahren zum Gestalten eines Werkstücks aus einem MMC-Material mit einem Verfahren, das hierin als Hochgeschwindigkeitszerspanung (High Speed Machining oder kurz HSM) bezeichnet wird und bei dem einem Teil seine endgültige Gestalt direkt von dem Werkstück mit diesem zerspanenden Bearbeitungsverfahren gegeben werden kann. Das Werkstück kann geschmiedet oder gegossen werden, es kann ein Stück aus einem stranggepressten Stab oder aus einem auf eine andere Weise erzeugten Rohmaterial sein.
  • Hochgeschwindigkeitszerspanung beinhaltet das Betreiben des Schneidwerkzeugs mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in Bezug auf das zerspante Werkstück im Vergleich zu dem Fall einer konventionellen Zerspanungstechnik. Die Schneidwerkzeuge von derzeitigem Interesse sind vorzugsweise Fräswerkzeuge und Bohrer.
  • Der hierin verwendete Begriff „Hochgeschwindigkeitszerspanung" (HSM) soll ein Verfahren bedeuten, das sich von konventionellen Zerspanungsmethoden unterscheidet. Dieser Begriff wird aber auch zuweilen zum Bezeichnen von konventioneller Zerspanung benutzt, wobei neue Methoden entwickelt werden, um die Grenzen konventioneller Zerspanung in höhere Ebenen auszudehnen. Aber der Begriff hat hierin nicht diese Bedeutung.
  • HSM-Zerspanung ist gekennzeichnet durch:
    • – äußerst hohe Schneidgeschwindigkeiten;
    • – eine hohe Scherdehnungsrate (die Fähigkeit, einen Span vom Werkstück abzutrennen);
    • – eine sehr hohe Energiedichte pro Zeiteinheit wird vor der Schneidkante erzielt (typischer Wert: MW/mm3);
    • – bei der Spanformung herrschen sehr hohe Temperaturen örtlich am Schneidort vor;
    • – die Späne fließen ab, ohne mit der Schnittkante in Kontakt zu kommen;
    • – die Scherkräfte nähern sich asymptotisch null.
  • Es folgen einige Beispiele für hohe Schneidgeschwindigkeiten in Verbindung mit dem Hochgeschwindigkeitszerspanen einiger Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung:
    • – Aluminium etwa 3000 m/min (konventionell ca. 100 – 400 m/min)
    • – Titan etwa 15000 m/min (konventionell ca. 15 – 100 m/min).
  • Die Wahl der richtigen Schneidgeschwindigkeit zum Erzielen der oben erörterten Zustände, die Hochgeschwindigkeitszerspanung charakterisieren, hängt von dem zu zerspanenden Material ab. Sie kann von der Fachperson im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung ohne viele Experimente ermittelt werden.
  • Beim Testen zum Ermitteln einer optimalen Schneidgeschwindigkeit für eine HSM-Zerspanung eines neuen Materials können die Scherkräfte studiert werden. Diese Kräfte nähern sich asymptotisch null, wenn die Kriterien für die HSM-Zerspanung erreicht sind. So lässt sich sagen, dass ein HSM-Zustand dann vorherrscht, wenn die Scherkräfte mit zunehmenden Schneidgeschwindigkeiten abnehmen. Bei dem genannten HSM-Zustand ist es das Ziel, eine optimale Schneidgeschwindigkeit für das zerspante Material zu ermitteln. Bei konventioneller Zerspanung nehmen die Scherkräfte bei zunehmenden Schneidgeschwindigkeiten zu. Dies bedeutet, dass, wie heute verstanden wird, die Scherkräfte in Abhängigkeit von der Schneidgeschwindigkeit durch eine Kurve mit einem globalen Maximum (lokale Maxima oder Minima können auftreten) dargestellt werden kann. Wenn die Zerspanungsdaten derart sind, dass eine Zerspanung auf der ansteigenden Seite der Kurve erfolgt, dann herrscht eine konventionelle Zerspanung vor. Andererseits herrscht ein HSM-Zustand vor, wenn die Zerspanung unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen eine Zerspanung auf der abfallenden Seite der Kurve durchgeführt wird, oder, mit anderen Worten: eine HSM-Zerspanung herrscht dann vor, wenn der globale Maximalpunkt vorbei ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Anwendung von HSM-Zerspanung ist der, dass die Späne den größten Teil, typischerweise 80%, der am Schnittpunkt erzeugten Wärme abführen, so dass ein Werkstück durch die beim Zerspanen erzeugte Wärme weitgehend unbeeinflusst bleibt.
  • Es wurde entdeckt, dass Hochgeschwindigkeitszerspanung unerwartet gute Ergebnisse erbringt, wenn sie auf MMC-Materialien angewendet wird. Trotz des hohen Anteils an Schleifsubstanzen in dem Material scheint es, dass die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe lange Zeit beibehalten, so als wenn sie von den Schleifsubstanzen im MMC-Material unbeeinflusst blieben. Der Grund hierfür ist bisher noch nicht völlig verstanden, da die Verläufe in dem Material, d.h. es ist nicht genau bekannt, was bei einer Hochgeschwindigkeitszerspanung des MMC-Materials am Schnittpunkt tatsächlich mit dem Material geschieht. Eine Theorie ist, dass ein von dem Material abgeschnittener Span in einem kleinen Bereich unmittelbar vor der Kante des Schneidwerkzeugs zu einem gewissen Grad in einen flüssigen Zustand gebracht wird und dass die eingebetteten Schleifpartikel, die beispielsweise durch Siliciumcarbid, Borcarbid oder Aluminiumoxid gebildet werden, durch die geformte Ladung abgeführt werden und somit nicht mit der Kante des Werkzeuge in direkten Kontakt kommen. Dies würde erklären, warum die Schneidwerkzeuge ihre Schärfe beibehalten, in direktem Gegensatz zu dem, was bei konventioneller Zerspanung geschieht.
  • Es wurden Versuche durchgeführt, um eine Kolbenstange mit HSM-Zerspanung eines MMC-Materials zu erzeugen. Die Ergebnisse waren äußerst vielversprechend. Wenn die Maschinen die richtigen Einstellungen in Bezug auf Spindeldrehzahl, Schneidgeschwindigkeit, Vorschub des Werkzeugs usw. hatten, dann waren die Zerspanungsergebnisse gut. Als Beispiel kann angeführt werden, dass die Kosten zum Formen eines Protyps einer Kolbenstange aus MMC-Material auf seine Endgestalt einerseits mittels konventioneller Methoden und andererseits mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitszerspanung die Kosten für die Herstellung der Kolbenstange um mehr als das 40fache reduzierten. Durch eine Serienproduktion von MMC-Teilen gemäß der Erfindung können die Kosten noch weiter reduziert werden.
  • Noch weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für die Fachperson aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden, wobei nur die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung einfach durch Illustration der besten Art der Ausführung der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden. Man wird erkennen, dass auch andere und verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung möglich sind, und mehrere Details können in verschiedenen offensichtlichen Hinsichten modifiziert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist die Beschreibung als illustrativ und nicht als beschränkend anzusehen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Beispiel für ein Experiment, bei dem ein Stück aus einem MMC-Material mit Hochgeschwindigkeitszerspanung aus einem Rohmaterial geformt wurde;
  • 2 zeigt ein Beispiel für ein Motorteil, in diesem Fall eine Kolbenstange, das mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung produziert wurde.
  • Beste und verschiedene Arten der Ausführung der Erfindung
  • Es wird eine Reihe von Beispielen für Versuche zum Beurteilen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. 1 zeigt einen Flansch 1, der von einem Rohling 2 aus einem MMC-Material hergestellt wurde, wobei eine Fräse zum Entfernen des gesamten Rohmaterials des Rohlings 2 um den zu erzeugenden Flansch 1 herum verwendet wurde. Der Flansch 1 hat in diesem Fall die Form eines L und hat eine Endmaterialdicke von 1 mm, die Schenkellängen des L betragen jeweils 45 bzw. 15 mm. Die beim Zerspanen in diesem Beispiel verwendeten Einstellungen waren wie folgt: Spindeldrehzahl 15.000 UpM, Schneidgeschwindigkeit 565 m/min und Vorschubrate 3000 mm/min. Die zum Formen des Flansches 1 gemäß 1 benötigte Zeit betrug 2,5 Minuten. Die Abnutzungszeit für das Schneidwerkzeug beträgt Stunden. Das Werkstück gemäß dieser Figur besteht aus einem MMC-Material mit einem Siliciumcarbidanteil von 40% in dem Material.
  • Es wurden auch Versuche mittels Bohren in MMC-Material mit 40% SiC-Gehalt durchgeführt. Es wurde eine Reihe von Löchern mit 6,9 mm HM-Bohreinsätzen mit einer Spindeldrehzahl von 15.000 UpM und einer Vorschubrate von 3000 mm/min gebohrt. Die Abnutzungszeit für den Bohrer war in diesem Fall so, dass mit dem Bohrer bis zu 1000 Löcher gebohrt werden konnten.
  • 2 zeigt ein Beispiel für ein Teil für einen Motor, in diesem Fall eine Kolbenstange, die direkt von einem Rohling aus MMC-Material hergestellt wurde, das auf seine Endform als Kolbenstange gemäß der Figur mit erfindungsgemäßer Hochgeschwindigkeitszerspanung zerspant wurde. Gleichzeitig sind die Kosten für die Herstellung einer Kolbenstange gemäß 2 aus MMC-Material gering, da sie die folgenden Vorteile gegenüber Kolbenstangen aus anderen Materialien hat:
    • – im Vergleich zu Stahl: geringere Masse,
    • – im Vergleich zu Titan: geringere Masse, höhere Steifigkeit,
    • – im Vergleich zu Aluminium: höhere Steifigkeit, höhere Streckgrenze, höhere Ermüdungsfestigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient gleichwertig mit dem des Stahls einer benachbarten Kurbelwelle,
    • – im Vergleich zu Faserverbundstoffen: geringerer Preis, isotrop.
  • Die obige Beschreibung illustriert und beschreibt die vorliegende Erfindung. Darüber hinaus zeigt und beschreibt die Offenbarung lediglich die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung, wobei jedoch, wie oben erwähnt, zu verstehen ist, dass die Erfindung auch mit verschiedenen anderen Kombinationen, Modifikationen und Umgebungen einsetzbar ist. Die oben beschriebenen Ausgestaltungen sollen ferner die besten bekannten Arten der Umsetzung der Erfindung erläutern und soll es anderen Fachpersonen ermöglichen, die Erfindung in solchen oder anderen Ausgestaltungen und mit den verschiedenen Modifikationen umzusetzen, die die jeweiligen Anwendungen oder Einsatzzwecke der Erfindung verlangen. Demgemäß soll die Beschreibung die Erfindung nicht auf die hierin offenbarte Form begrenzen. Es ist auch beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche als alternative Ausgestaltungen beinhaltend anzusehen sind.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Teils einer vorbestimmten Form aus einem Metallmatrix-Verbundstoff (MMC), umfassend das Zerspanen eines Rohlings aus dem MMC-Material durch Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSM), um die gewünschte Gestalt des Teils zu erhalten, wobei das MMC-Material hier als ein Material definiert ist, das einen Verstärkungsgehalt zwischen 15% und 70% aufweist, und der Zustand der vorherrschenden HSM-Zerspanung dann gegeben ist, wenn eine sehr hohe Energiedichte pro Zeiteinheit vor der Schneidkante erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energiedichte pro Zeiteinheit typischerweise in der Größenordnung von MW/mm3 liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Geschwindigkeit eines den Rohling mit einem Schnittpunkt relativ zum Rohling zerspanenden Schneidwerkzeugs derart ist, dass ein infolge der Zerspanung gebildeter Span am Schnittpunkt wenigstens kurzzeitig schwebt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei während des HSM-Zerspanens eine sehr hohe Temperatur örtlich am Schnittpunkt während eines Spanformungsprozesses vorherrscht und der Span schwebt, ohne mit der Schnittkante in Kontakt zu kommen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die genannte Verstärkung wenigstens ein Element ist, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Borcarbid und Aluminiumoxid.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein aus dem Material geschnittener Span in einem begrenzten Raum unmittelbar vor einem Schneidwerkzeug in einem gewissen Grad in einen flüssigen Zustand gebracht wird und die Verstärkungspartikel durch die gebildete Ladung abgeführt werden, ohne dabei direkt mit der Kante des Werkzeugs in Kontakt zu kommen.
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