WO2008080488A1 - Verfahren zur bearbeitung einer dichtfläche - Google Patents

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WO2008080488A1
WO2008080488A1 PCT/EP2007/010533 EP2007010533W WO2008080488A1 WO 2008080488 A1 WO2008080488 A1 WO 2008080488A1 EP 2007010533 W EP2007010533 W EP 2007010533W WO 2008080488 A1 WO2008080488 A1 WO 2008080488A1
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machining
valve seat
pecm
processing
electrode
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PCT/EP2007/010533
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Inventor
Christian Martin Erdmann
Thomas Kränzler
Alois Schmid
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Daimler Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H3/00—Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H2300/00—Power source circuits or energization
    • B23H2300/10—Pulsed electrochemical machining
    • B23H2300/12—Positive and negative pulsed electrochemical machining

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a valve seat made of electrically conductive material.
  • valve seats in motor vehicle construction have increased significantly in recent years, in particular with the development of modern, more powerful engines and, in particular, diesel engines.
  • the processing of such ausgestalteter, heavy duty valve seats plays a crucial role, since by means of conventional machining the increased demands are difficult to fulfill.
  • a method for producing a valve body for a fuel valve by means of an electrochemical removal is also known.
  • a prefabricated, substantially cylindrical valve body is further processed by means of electrochemical removal, so that the dead volume is minimized.
  • a transfer of the disclosed method to the processing of valve seats for intake or exhaust valves of internal combustion engines requires considerable procedural changes to meet the requirements of tribologically and mechanically highly loaded valve seats.
  • the invention is therefore based on the object, an improved method for processing a sealing surface, in particular a valve seat for an inlet or outlet valve of an internal combustion engine to specify.
  • the task with regard to the method to be specified is inventively achieved in that for the processing of a sealing surface, in particular a valve seat of an intake or exhaust valve of an internal combustion engine, wherein the processing of the valve seat by means of a Contactless removal by applying an electrical voltage between a machining electrode and a processing object is carried out and wherein there is a machining gap between the machining electrode and the processing object
  • the advantage of this invention is that the use of the pulsed electrochemical removal creates a highly accurate machining of sealing surfaces with a substantially improved surface finish.
  • the high-precision machining process for electrically conductive materials is material-independent. This means that it is also possible to process electrically conductive coatings or materials which can only be processed insufficiently or at high cost on the final contour by pure mechanical processing. This is particularly advantageous for modern diesel engines in which, due to the high thermal load on the valve seat correspondingly temperature-resistant materials are used, for example, high temperature cobalt or iron-based alloys or thermal spray coatings iron-chromium-based. These materials are generally used in the form of valve seat rings or as a direct sprayed coating.
  • the method of pulsed electrochemical machining is characterized in that there is no direct contact between the tool electrode and the machining object during machining.
  • machining tool electrode and processing object are fixed and defined relative to each other, so that on the machining object, the geometry of the machining tool is displayed during processing.
  • the machining object and the tool electrode can also be moved relative to one another, preferably in a translatory or rotational movement.
  • the translatory feed of the tool electrode is preferably carried out at a speed of less than 3 mm / min, in particular 0.01 mm / min to 1 mm / min.
  • the oscillation frequency is tuned to the pulse frequency of the electrochemical machining, preferably the oscillation takes place with an amplitude of less than 1.5 mm, in particular of 0 , 2mm to 1mm, and a frequency greater than 1Hz, especially 5Hz to 100Hz.
  • an electrical voltage is applied between the tool electrode and the object to be processed, wherein the processing object is switched as the anode and the tool electrode as the cathode.
  • an existing gap preferably a gap width of 0.01 to 0.2 mm, between the tool electrode (cathode) and the object (anode) is rinsed with a conventional electrolyte solution.
  • the material removal on the processing object is thus electrochemical and the dissolved material is rinsed out as metal hydroxide from the electrolyte solution from the processing zone.
  • the PECM Process Due to the very small gap width, the PECM Process a much higher machining accuracy than conventional electrochemical removal process.
  • Another characteristic feature of the PECM process is that the machining current is not permanently applied as in conventional electrochemical machining, but is supplied as pulsed current.
  • the process of PECM processing is further characterized by high process stability.
  • this is characterized in that a high surface quality in the range of surface roughnesses R z of less than 5 ⁇ m is achieved, preferably R z in the range of 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • R z in the range of 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the shape of the tool electrode is transferred very precisely and with high precision to the electrically conductive material to be processed.
  • the shape of the tool electrode is to be designed depending on the processing geometry to be produced.
  • a conventional electrode structure is used which has a PECM active part specially designed for the geometry to be produced, for example the outer geometry of a valve disk of a Inlet valve, which is then transferred by the PECM machining exactly on a valve seat.
  • a further advantage is that in the method according to the invention in the electrochemical machining takes place only a minimal material removal of less than 2.5 mm, preferably in the range of 0.05mm to 0.5mm. Furthermore, the material removal, i. the removal rate in the PECM processing, directly controlled by the voltage applied in the process and / or by the conductivity of the electrolyte solution, so that so that the economy of the method according to the invention can be adjusted by short cycle times at the same time very high surface quality of the machined surface. That For a higher material thickness to be removed, an electrolyte solution with a higher conductivity, ie an increased salt content, must be selected and / or the applied voltage must be increased.
  • the PECM machining of valve seats of intake or exhaust valves for internal combustion engines is therefore also economical for mass production. The processing time is reduced to a cycle time of a few seconds, depending on material removal. By parallel processing of several valve seats, this cycle time can be further reduced.
  • the surfaces adjacent to the sealing surface, in particular the valve seat are at least partially inactivated for PECM machining.
  • the advantage of this embodiment is that it ensures that a PECM machining takes place only on the surface of the valve seat on which the highly accurate machining is required. An unwanted material removal on adjacent surfaces by occurring during electrochemical processing stray currents is thus effectively prevented.
  • Under an inactivated surface is understood that the surface is no longer electrically conductive, that is electrically isolated.
  • An insulation of the surfaces can be configured over all known ways of isolation, preferably it is by a coating, in particular on a ceramic basis or by a plastic layer to design.
  • the tool electrode has a defined microstructure of the electrode surface, such as defined aligned, circumferential micro-grooves, and / or defined other geometric shapes, such as a defined crown of the tool electrode, which then due to the PECM processing highly accurate and accurate to the
  • the advantage of this embodiment is that by appropriate design of such geometrical modifications, the sealing of the sealing surface to be processed further improved and thus the functionality of, for example, a valve seat can be significantly increased, characterized in that the seal is ensured even at greatly increased pressure or temperature conditions.
  • the main flow direction of the processing electrolyte is at the sealing surface to be processed, in particular at machining valve seat, selected against the feed direction of the machining electrode.
  • the advantage of this embodiment is that the replacement of the electrolyte solution in the machining gap is further improved, whereby the process stability and the processing quality are increased.
  • the electrolyte solution is preferably supplied under ambient pressure, however, any other supply pressure is possible.
  • the electrolyte solution can be fed to the PECM processing from the outside and / or via at least one channel arranged in the tool electrode.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration, not to scale, of a cross section through a valve seat (1), which is to be machined by means of PECM, of an internal combustion engine (not shown).
  • valve seats are machined using the PECM process. Due to the high temperatures and pressures at the valve seats (1) arising in the operating state of the engine, a prefabricated valve seat ring (2) made of a high-temperature cobalt-base alloy is inserted into the cylinder head (3) made of gray cast iron. Subsequently, the outer surfaces of the valve ring (2) and the adjoining outer surfaces of the cylinder head (3), which are not processed electrochemically, coated with a 0.5mm thick ceramic layer (41, 42, 43, 44). These electrically insulating ceramic layers (41, 42, 43, 44) are over a applied by conventional spraying and are removable after the PECM machining.
  • valve seats (1) In a subsequent process step, the final machining of the valve seats (1) by means of PECM. At each valve seat (1), a material thickness of 0.3 mm is removed in the direction of the surface normal. For economic reasons, a parallel processing of all valve seats (1) of a cylinder head (3), for which the device has a corresponding number of tool electrodes (5). The electrochemical machining is carried out on a conventional PECM processing device not further described here.
  • the other connection means required for processing, such as for receiving the tool electrodes (5), the power supply, for receiving the cylinder head (3) and its defined positioning relative to the tool electrodes (5) and for further process control are not explained here in detail but of course available.
  • a tool electrode (5) is used, which has the geometric configuration of a truncated cone on its electrochemically active portion (51). The other parts of the tool electrode (5) are electrically insulated.
  • a valve seat (1) encloses a previously described tool electrode (5) so that between the surface of the valve seat (1) to be machined and the PECM active surface (51) of the tool electrode (5) gives a working gap of 0.1 mm.
  • the tool electrode (5) is moved at a feed rate of 0.5 mm / min in the feed direction (6), so that the working gap during machining is largely constant.
  • the constant feed speed is superimposed on an oscillating movement in the direction (7), ie parallel to the feed direction (6).
  • the frequency of the oscillation is tuned to the pulse frequency of the voltage pulses of the PECM machining, so that with each voltage pulse, whereby an electrochemical material removal takes place, also takes place an oscillatory movement, which promotes the exchange of the electrolyte solution by a kind of pumping movement.
  • the oscillation frequency is 60 Hz, while the amplitude of the oscillation is 0.2 mm.
  • the electrolyte solution a common saline solution
  • the PECM processing counter to the feed direction (6) under 1.5 times higher ambient pressure.
  • the PECM machining of the valve seats (1) of the cylinder head (3) thus takes place with a cycle time of 30 seconds.
  • the process takes place fully automatically, so that after completion of the PECM machining, the cylinder head (3) with the processed valve seats (1) is automatically removed from the device and another cylinder head (3) to be machined is inserted into the device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Dichtfläche (1), insbesondere eines Ventilsitzes (2) eines Ein- oder Auslassventils einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines berührungslosen Abtragens durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Bearbeitungselektrode (5) und einem Bearbeitungsobjekt, wobei der Ventilsitz durch gepulstes elektrochemisches Abtragen (PECM) bearbeitet wird.

Description

VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG EINER DICHTFLACHE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Ventilsitzes aus elektrisch leitfähigem Material.
Die Anforderungen die im Kraftfahrzeugbau an Ventilsitze gestellt werden, sind in den letzten Jahren insbesondere mit der Entwicklung moderner, leistungsstärkerer Motoren und dabei besonders der Dieselmotoren erheblich gestiegen. So ist es bei der Fertigung derartiger Motoren unerlässlich, die Ventilsitze an die geänderten Anforderungen der gesteigerten Belastung bei modernen Dieselmotoren beispielsweise durch die Verwendung von hochtemperaturfesten, verschleißarmen Werkstoffen anzupassen. Die Bearbeitung derartig ausgestalteter, hochbelastbarer Ventilsitze spielt dabei eine entscheidende Bedeutung, da mittels konventioneller spanender Bearbeitung die gesteigerten Anforderungen nur noch schwer erfüllbar sind.
Aus der DE 44 29 299 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Dichtflächen mittels funkenerosiven Abtragens bekannt. Dabei wird insbesondere ein Armaturengehäuse mit einem Dielektrikum gespült oder in ein solches getaucht und die funkenerosive Bearbeitung erfolgt mit einer speziell ausgestalteten Werkzeugelektrode. Nachteilig dabei ist allerdings die komplizierte Vorrichtung, welche in die Armatur einführbar sein muss um die Bearbeitung der Dichtflächen zu gewährleisten. Weiterhin ist die Übertragbarkeit des offenbarten Verfahrens auf Anwendungen im Kraftfahrzeugbau nicht ohne weiteres machbar, da insbesondere die Anforderungen an tribologisch und mechanisch hochbelastete Dichtflächen beispielsweise bei Ventilsitzen wesentlich höher sind als bei Armaturengehäusen.
Aus der DE 10 2004 030 762 Al ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers für ein Kraftstoffventil mittels eines elektrochemischen Abtragens bekannt. Dabei wird ein vorgefertigter, im Wesentlichen zylindrischer Ventilkörper mittels elektrochemischen Abtragens weiter bearbeitet, so dass das Totvolumen minimiert wird. Eine Übertragung des offenbarten Verfahrens auf die Bearbeitungen von Ventilsitzen für Ein- oder Auslassventile von Verbrennungsmotoren erfordert allerdings erhebliche verfahrenstechnische Änderungen, um die Anforderungen an tribologisch und mechanisch hochbelastete Ventilsitze zu erfüllen .
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung einer Dichtfläche, insbesondere eines Ventilsitzes für ein Ein- oder Auslassventil einer Verbrennungskraftmaschine, anzugeben.
Die Aufgabe in Bezug auf das anzugebende Verfahren zur Bearbeitung einer Dichtfläche wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Bearbeitung einer Dichtfläche, insbesondere eines Ventilsitzes eines Ein- oder Auslassventils einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Bearbeitung des Ventilsitzes mittels eines berührungslosen Abtragens durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Bearbeitungselektrode und einem Bearbeitungsobjekt erfolgt und wobei ein sich dabei zwischen der Bearbeitungselektrode und dem Bearbeitungsobjekt bildender Bearbeitungsspalt von einem
Bearbeitungselektrolyten durchströmt wird, ein gepulstes elektrochemisches Abtragen verwendet wird.
Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch den Einsatz des gepulsten elektrochemischen Abtragens eine hochgenaue Bearbeitung von Dichtflächen mit einer wesentlich verbesserten Oberflächenfeingestalt geschaffen ist. Gleichzeitig ist das hochgenaue Bearbeitungsverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe Werkstoffunabhängig. Das bedeutet, dass auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder Werkstoffe bearbeitet werden können, die durch reine mechanische Bearbeitung nur unzureichend oder unter hohem Kostenaufwand auf Endkontur bearbeitbar sind. Dies ist insbesondere für moderne Dieselmotoren von Vorteil, bei denen auf Grund der hohen thermischen Belastung am Ventilsitz entsprechend temperaturbeständige Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise hochwarmfeste Cobalt- oder Eisenbasislegierungen oder aber thermische Spritzschichten auf Eisen-Chrom-Basis. Diese Werkstoffe werden im Allgemeinen in Form von Ventilsitzringen oder aber als direkt aufgespritzte Beschichtung verwendet. Derartige Legierungen sind allerdings mit konventionellen zerspanenden Bearbeitungsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand zu bearbeiten, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch wesentlich wirtschaftlicher, da mitunter mehrere Bearbeitungsschritte einer konventionellen, mechanischen Bearbeitung durch beispielsweise zerspanende Bearbeitung eingespart werden. Das Verfahren der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM - Pulsed ElectroChemical Machining) ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeugelektrode und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei Werkzeugelektrode und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest und definiert positioniert, so dass auf dem Bearbeitungsobjekt die Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bearbeitung abgebildet wird. Alternativ zur festen Positionierung können das Bearbeitungsobjekt und die Werkzeugelektrode auch relativ zueinander bewegt werden, vorzugsweise in einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung. Der translatorische Vorschub der Werkzeugelektrode erfolgt dabei vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 3mm/min, insbesondere 0,01mm/min bis lmm/min. Für das PECM-Verfahren ist es insbesondere auch sinnvoll eine oszillierende Bewegung mit einer Translation oder Rotation zu kombinieren, wobei die Oszillationsfrequenz auf die Pulsfrequenz der elektrochemischen Bearbeitung abgestimmt wird, vorzugsweise erfolgt die Oszillation mit einer Amplitude von weniger als 1,5mm, insbesondere von 0,2mm bis lmm, und einer Frequenz größer als IHz, insbesondere 5Hz bis 100Hz. Bei der Bearbeitung wird zwischen der Werkzeugelektrode und dem zu bearbeitendes Objekt eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Bearbeitungsobjekt als Anode und die Werkzeugelektrode als Kathode geschaltet wird. Für die Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2mm, zwischen Werkzeugelektrode (Kathode) und Objekt (Anode) mit einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone herausgespült. Aufgrund der sehr geringen Spaltbreite besitzt das PECM- Verfahren eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit als herkömmliche elektrochemische Abtragverfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht wie bei der konventionellen elektrochemischen Bearbeitung permanent anliegt, sondern als gepulster Strom zugeführt wird. Vorteilhaft ist es dabei die relative Bewegung der Werkzeugelektrode bei der PECM- Bearbeitung auf die Pulsfrequenz des getakteten elektrischen Stroms anzupassen, da so der Austausch der Elektrolytlösung bei der Bearbeitung verbessert wird. Dadurch befindet sich immer weitestgehend unverbrauchte Elektrolytlösung im Bearbeitungsspalt, wodurch ein besseres Bearbeitungsergebnis erzielt wird. Das Verfahren der PECM-Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
In Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des PECM-Verfahrens wird diese dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten Rz kleiner als 5μm erzielt wird, vorzugsweise Rz im Bereich von 0,5μm bis 2μm. Damit wird im Vergleich zur konventionellen mechanischen Bearbeitung aber auch im Vergleich zu anderen berührungslosen Abtragsverfahren eine Oberfläche hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist und damit eine höhere Verschleißbeständigkeit der Dichtfläche aufweist.
Mittels der PECM-Bearbeitung wird die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen. Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel jedoch ein herkömmlicher Elektrodenaufbau verwendet, der einen auf die herzustellende Geometrie speziell ausgestalteten PECM aktiven Teil aufweist, beispielsweise die Außengeometrie eines Ventiltellers eines Einlassventils, welche dann durch die PECM-Bearbeitung exakt auf einen Ventilsitz übertragen wird.
Auf Grund des berührungslosen Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der elektrochemischen Bearbeitung nur ein minimaler Werkstoffabtrag von weniger als 2,5mm stattfindet, vorzugsweise im Bereich von 0,05mm bis 0,5mm. Weiterhin wird der Materialabtrag, d.h. die Abtragsrate bei der PECM- Bearbeitung, direkt über die im Verfahren angelegte Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung gesteuert, so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche angepasst werden kann. D.h. für eine abzutragende höhere Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil zu wählen und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen. Die PECM-Bearbeitung von Ventilsitzen von Einlass- oder Auslassventilen für Verbrennungskraftmaschinen wird damit auch für eine Serienfertigung wirtschaftlich. Die Bearbeitungszeit reduziert sich je nach Werkstoffabtrag auf eine Taktzeit von wenigen Sekunden. Durch Parallelbearbeitung mehrerer Ventilsitze kann diese Taktzeit weiter reduziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die an die Dichtfläche, insbesondere den Ventilsitz, angrenzenden Flächen zumindest teilweise für eine PECM-Bearbeitung inaktiviert. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass so gewährleistet wird, dass eine PECM-Bearbeitung nur an der Fläche des Ventilsitzes erfolgt, an der die hochgenaue Bearbeitung erforderlich ist. Ein ungewollter Werkstoffabtrag an angrenzenden Flächen durch bei der elektrochemischen Bearbeitung auftretende Streuströme wird damit effektiv verhindert. Unter einer inaktivierten Fläche wird dabei verstanden, dass die Oberfläche nicht mehr elektrisch leitfähig ist, also elektrisch isoliert ist. Eine Isolierung der Oberflächen kann dabei über alle bekannte Möglichkeiten der Isolierung ausgestaltet werden, vorzugsweise ist sie durch eine Beschichtung, insbesondere auf keramischer Basis oder durch eine KunststoffSchicht , auszugestalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Werkzeugelektrode eine definierte Mikrostrukturierung der Elektrodenoberfläche auf, wie beispielsweise definiert ausgerichtete, umfängliche Mikroriefen, und/oder definierte weitere Geometrieformen, wie beispielsweise eine definierte Balligkeit der Werkzeugelektrode, welche dann infolge der PECM-Bearbeitung hochgenau und exakt auf die
Bearbeitungsoberfläche übertragen werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch entsprechende Ausgestaltung derartiger geometrischer Modifikationen die Abdichtung der zu bearbeitenden Dichtfläche weiter verbessert und somit die Funktionsfähigkeit beispielsweise eines Ventilsitzes wesentlich gesteigert werden kann, dadurch dass die Abdichtung auch bei stark erhöhten Druck- bzw. Temperaturbedingungen gewährleistet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der PECM-Bearbeitung die Hauptströmungsrichtung des Bearbeitungselektrolyten an der zu bearbeitenden Dichtfläche, insbesondere am zu bearbeitenden Ventilsitz, entgegen der Vorschubrichtung der Bearbeitungselektrode gewählt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Austausch der Elektrolytlösung im Bearbeitungsspalt weiter verbessert wird, wodurch die Prozessstabilität und die Bearbeitungsqualität gesteigert werden. Die Elektrolytlösung ist dabei vorzugsweise unter Umgebungsdruck zuzuführen, allerdings ist auch jeglicher anderer Zuführdruck möglich. Die Elektrolytlösung ist dabei der PECM-Bearbeitung von außen und/oder über mindestens einen in der Werkzeugelektrode angeordneten Kanal zuführbar.
Weitere Gegenstände der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und der Figur näher erläutert .
Figur 1 zeigt dabei eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Querschnitts durch einen mittels PECM zu bearbeitenden Ventilsitz (1) einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine .
Bei der Fertigung von 4-Zylinder-Reihenmotoren mit jeweils 4- Ventilen je Zylinder für Kraftfahrzeuge werden die Ventilsitze mittels des PECM-Verfahrens bearbeitet. Aufgrund der im Betriebszustand des Motors entstehenden hohen Temperaturen und Drücke an den Ventilsitzen (1) wird ein vorgefertigter Ventilsitzring (2) aus einer hochwarmfesten Cobalt-Basis-Legierung in den Zylinderkopf (3) aus Grauguss eingesetzt. Anschließend werden die Außenflächen des Ventilringes (2) und die daran anschließenden Außenflächen des Zylinderkopfes (3), welche nicht elektrochemisch bearbeitet werden, mit einer 0,5mm dicken keramischen Schicht beschichtet (41, 42, 43, 44). Diese elektrisch isolierend wirkenden Keramikschichten (41, 42, 43, 44) werden über ein konventionelles Spritzverfahren aufgebracht und sind nach der PECM-Bearbeitung wieder entfernbar.
In einem daran anschließenden Verfahrensschritt erfolgt die endgültige Bearbeitung der Ventilsitze (1) mittels PECM. An jedem Ventilsitz (1) wird dabei eine Materialdicke von 0,3mm in Richtung der Flächennormalen abgetragen. Aus wirtschaftlichen Gründen erfolgt eine Parallelbearbeitung aller Ventilsitze (1) eines Zylinderkopfes (3), wozu die Vorrichtung eine entsprechende Anzahl an Werkzeugelektroden (5) aufweist. Die elektrochemische Bearbeitung erfolgt auf einer herkömmlichen hier nicht weiter beschriebenen Vorrichtung zur PECM-Bearbeitung. Die weiteren für die Bearbeitung erforderlichen Anschlussmittel, wie beispielsweise zur Aufnahme der Werkzeugelektroden (5), zur Stromversorgung, zur Aufnahme des Zylinderkopfes (3) und dessen definierten Positionierung relativ zu den Werkzeugelektroden (5) und zur weiteren Prozessteuerung sind hierbei nicht näher erläutert aber selbstverständlich vorhanden.
Für die PECM-Bearbeitung jeweils eines Ventilsitzes (1) wird eine Werkzeugelektrode (5) verwendet, die an ihrem elektrochemisch aktiven Teilbereich (51) die geometrische Ausgestaltung eines Kegelstumpfes aufweist. Die weiteren Teile der Werkzeugelektrode (5) sind elektrisch isoliert.
Zur Durchführung der PECM-Bearbeitung wird der Zylinderkopf (3) definiert in der Vorrichtung aufgenommen und eingespannt. Anschließend werden die einzelnen Werkzeugelektroden (5) automatisch in den einzelnen Ventilsitzen (1) positioniert. Dabei umschließt ein Ventilsitz (1) eine zuvor beschriebene Werkzeugelektrode (5) so, dass sich zwischen der zu bearbeitenden Fläche des Ventilsitzes (1) und der PECM- aktiven Fläche (51) der Werkzeugelektrode (5) ein Arbeitsspalt von 0,1mm ergibt. Bei der PECM-Bearbeitung eines Ventilsitzes (1) wird die Werkzeugelektrode (5) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,5mm/min in Vorschubrichtung (6) bewegt, so dass der Arbeitsspalt bei der Bearbeitung weitestgehend konstant ist. Gleichzeitig wird der konstanten Vorschubgeschwindigkeit eine oszillierende Bewegung in Richtung (7), d.h. parallel zur Vorschubrichtung (6), überlagert. Die Frequenz der Oszillation ist auf die Pulsfrequenz der Spannungsimpulse der PECM-Bearbeitung abgestimmt, so dass bei jedem Spannungsimpuls, wodurch ein elektrochemischer Materialabtrag stattfindet, auch eine Oszillationsbewegung stattfindet, die durch eine Art Pumpbewegung den Austausch der Elektrolytlösung fördert. Die Oszillationsfrequenz beträgt dabei 60Hz, während die Amplitude der Oszillation 0,2mm beträgt.
Die Elektrolytlösung, eine gebräuchliche Salzlösung, wird hier der PECM-Bearbeitung entgegen der Vorschubrichtung (6) unter 1,5-fach erhöhtem Umgebungsdruck zugeführt. Die PECM- Bearbeitung der Ventilsitze (1) des Zylinderkopfes (3) findet somit mit einer Taktzeit von 30sec statt.
Der Verfahrensablauf findet vollautomatisiert statt, so dass nach Beendigung der PECM-Bearbeitung der Zylinderkopf (3) mit den bearbeiteten Ventilsitzen (1) automatisiert aus der Vorrichtung entnommen wird und ein weiterer neu zu bearbeitender Zylinderkopf (3) in die Vorrichtung eingesetzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung einer Dichtfläche, insbesondere eines Ventilsitzes eines Ein- oder Auslassventils einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Bearbeitung des Ventilsitzes mittels eines berührungslosen Abtragens durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Bearbeitungselektrode und einem Bearbeitungsobjekt erfolgt, wobei ein sich dabei zwischen der Bearbeitungselektrode und dem Bearbeitungsobjekt bildender Bearbeitungsspalt von einem Bearbeitungselektrolyten durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz durch gepulstes elektrochemisches
Abtragen (PECM) bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Ventilsitz angrenzende Fläche zumindest teilweise bei der PECM-Bearbeitung inaktiviert, insbesondere elektrisch isoliert, wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz durch die elektrochemische Bearbeitung definiert mikrostrukturiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der PECM-Bearbeitung die Bearbeitungselektrode und der zu bearbeitende Ventilsitz relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch oszillierend bewegt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der PECM-Bearbeitung die Hauptströmungsrichtung des Bearbeitungselektrolyten am zu bearbeitenden Ventilsitz entgegen der Vorschubrichtung der Bearbeitungselektrode sein wird.
PCT/EP2007/010533 2006-12-21 2007-12-05 Verfahren zur bearbeitung einer dichtfläche WO2008080488A1 (de)

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