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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
für einen
Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Zylinderblocks mit erhöhter Beständigkeit gegen Verschleißschäden.
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Es
gibt einen zunehmenden kommerziellen Bedarf für Zylinderblöcke ohne
Zylinderlaufbuchse für
Verbrennungsmotoren. Zylinderblöcke
ohne Zylinderlaufbuchsen sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, um
Gewicht zu sparen und um die Kühlung
des Motors zu verbessern. Da Zylinderblöcke ohne Zylinderlaufbuchsen
im Betrieb einen erhöhten
Verschleiß aufweisen,
besteht ein Bedarf an Zylinderblöcken
mit erhöhter Verschleißfestigkeit.
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Entsprechend
diesem Bedarf, wird in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
JP 06-24 9057 A ein Verfahren zum Ausbilden einer verschleißfesten
Schicht an der Innenfläche
eines Zylinders, mittels Auftragschweißens vorgeschlagen. Diese Veröffentlichung
beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Zylinderlaufbüchse.
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Unglücklicherweise
verursacht die direkte Anwendung dieses Auftragschweiß-Verfahrens
an einem Zylinderblock wegen des großen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Aluminium hohe Schweißspannungen.
Die durch dieses Verfahren verursachten hohen Schweißspannungen
führen
zu einer unzulässigen
Erhöhung
der Verformung des Zylinderblocks.
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Das
starke Anwachsen der Verformungen am Zylinderblock macht es nahezu
unmöglich,
den Zylinderblock für
die Nachbearbeitung in einer Spannvorrichtung exakt zu positionieren.
Diese Unmöglichkeit,
die Nachbearbeitungsverformung exakt zu bestimmen, zwingt die Hersteller,
große
Toleranzen bei der Endbearbeitung zuzulassen, wodurch die Kosten
erhöht
werden. In einigen Extremfällen
führt die
Nachbearbeitung dazu, dass die verschleißfesten Schichten Sprünge bekommen
oder versagen, wodurch der Zylinderblock unbrauchbar wird und die
Kosten weiter steigen.
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Das
oben beschriebene Verfahren macht es dem Konstrukteur praktisch
unmöglich,
die resultierende Verformung durch Schweißspannungen und die endgültige Form
nach der Endbearbeitung vorherzusagen, wodurch ferner Kosten und
Produktionszeiten steigen und sich die Qualität verschlechtert. Andere Versuche, eine
verschleißfeste
Schicht mit Auftragschweißen
von hoch legiertem Aluminium zu schaffen, haben sich gleichermaßen als
ungeeignet erwiesen, da mit steigendem Legierungsanteil am Aluminium
die resultierenden Schweißspannungen
zunehmen. Zusammengefasst gesagt, haben weder das oben beschriebene
Verfahren noch andere Verfahren den kommerziellen Anforderungen
entsprochen.
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Aus
der
DE 38 00 902 A1 sowie
aus der
US 2,292,662 ist
jeweils ein Verfahren bekannt, bei welchem eine verschleißfeste Schicht
auf die Oberfläche
einer Zylinderbohrung durch Auftragsschweißen aufgebracht wird.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, die oben geschilderten Unzulänglichkeiten
zu vermeiden.
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Es
ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei
dem Schweißspannungen
beim Ausbilden einer verschleißfesten
Schicht wirkungsvoll gehandhabt werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, zur Herstellung eines Zylinderblocks
ein Verfahren zu schaffen, bei dem mittels Auftragschweißens eine
verschleißfeste
Schicht ausgebildet wird, wobei Auftragschweißen das Überziehen und Vergrößern der
Dicke eines Materials mittels Schweißen bedeutet.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Zylinderblocks zu schaffen, wobei das Auftragschweißen an einer
Innenfläche
einer Zylinderbohrung in einem Gebiet ausgeführt wird, das einen Abtrag
bei der Kolbenbewegung erfährt.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Verfahren zu schaffen,
bei dem Auftragschweißen
in einem Bereich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° entlang einer Druck-Richtung eines Kolbens
und in einem Bereich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° in einer Gegen-Druck-Richtung
des Kolbens ausgeführt
wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
das leicht an einer vorgeformten halbelliptischen oder halb-ovalen
Innenfläche
eines Motorblocks anwendbar ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
das eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit für die Nachbearbeitungsverformung
erlaubt.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
das die vorangegangenen Merkmale und Fähigkeiten aufweist.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 4. Das Verfahren wendet
Auftragschweißen
an vorgeformten Ausnehmungen entlang der Innenfläche des Zylinders an. Nach
dem Auftragschweißen
schafft eine abschließende
Endbearbeitung eine glatte Zylinderoberfläche. Durch das Verfahren wird
eine verschleißfeste
Oberfläche
in Bereichen geschaffen, die anfällig
für einen
Verschleiß durch
den Kolben ist, und wird das Problem der Schweißspannungen so gehandhabt,
dass die Verformung des Zylinderblocks wirkungsvoll minimiert wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines
Verbrennungsmotors geschaffen, welches folgende Schritte aufweist:
Festlegen eines Parametersatzes für den Zylinderblock, wobei
der Parametersatz zumindest eine Schichtdicke der verschleißfesten
Schicht, eine zulässige,
Schweißspannung,
eine erste Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, eine Druck-Richtung
und eine Gegen-Druck-Richtung
beinhaltet, Vorformen eines dem Parametersatz entsprechenden Zylinderblocks,
Bestimmen mindestens eines ersten und eines zweiten Auftragschweiß-Abschnitts entlang
eines Zylinders des Zylinderblocks entsprechend der Druck- und der
Gegen-Druck-Richtung, wobei der erste Auftragschweiß-Abschnitt
ein erster Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden
Seiten der Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders
erstreckt und der zweite Auftragschweiß-Abschnitt ein zweiter Bereich
ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung
relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt, Ausführen von
Auftragschweißen am
ersten und zweiten Auftragschweiß-Abschnitt und abschließende Endbearbeitung
des Zylinderblocks entsprechend der ersten Abmessung des Zylinders
nach der Endbearbeitung, wodurch die Oberfläche des Zylinders eine verschleißfeste Schicht
erhält,
welche die gewünschte
Schichtdicke der verschleißfesten
Schicht und die zulässige
Schweißspannung
entlang der Druck- und Gegen-Druck-Richtungen aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: der Schritt des Bestimmens
eines Parametersatzes einen Schritt beinhaltet, in dem ein Unterschied
zwischen der ersten endbearbeiteten Zylinderabmessung und mindestens
einer ersten zurückversetzten
Zylinderabmessung gewählt
wird, wobei der Unterschied ausreicht, dass die Dicke der verschleißfesten
Schicht zwischen mindestens etwa 2 mm und etwa 5 mm beträgt, wodurch die
verschleißfeste
Schicht im Betrieb verschleißfest
ist und die Verformung des Zylinderblocks aufgrund von Schweißspannungen
minimiert ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei der Unterschied vorzugsweise
zwischen etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
eines Verbrennungsmotors geschaffen, welches folgende Schritte aufweist:
Ausführen
von Auftragschweißen
an der Innenfläche
eines Zylinders des Zylinderblocks lediglich in einem Bereich, in
dem ein schädliches Übermaß an Verschleiß durch
den Kolben auftritt, wobei der Bereich zumindest einen ersten Bereich mindestens
zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer
Druck-Richtung und einen zweiten Bereich mindestens zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer
Gegen-Druck-Richtung relativ zum Zylinder des Zylinderblocks beinhaltet,
und Endbearbeiten der Innenfläche
des Zylinders auf die Endabmessung, wodurch die Innenfläche beständig gegen
den Verschleiß durch
den Kolben ist und wodurch ein Auftragschweiß-Abschnitt eine gewünschte Enddicke
aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: die Innenfläche in zumindest
einer ersten Ausnehmungsform entlang der Druck-Richtung und zumindest einer zweiten
Ausnehmungsform entlang der Gegen-Druck-Richtung vorgeformt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: die gewünschte Enddicke
zwischen zumindest etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.
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Obige
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.
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1 ist
eine perspektivische Teil-Schnittansicht eines gemäß dem Verfahren
der Erfindung hergestellten Zylinderblocks.
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2 ist
eine schematische Darstellung von Kräften in einem Zylinderblock,
wie sie während
des Betriebs in einem Verbrennungsmotor auftreten.
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3 ist
eine schematische Darstellung, die einen Bereich des Auftragschweißens in
einem Zylinder gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung zeigt.
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4(A) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung
eines vorgeformten Zylinders vor der Auftragschweißung gemäß dem Verfahren
der Erfindung.
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4(B) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung
eines Zylinders nach der Auftragschweißung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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4(C) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung
eines Zylinders nach Auftragschweißung und Endbearbeitung gemäß dem Verfahren
der Erfindung.
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5 ist
eine schematische Draufsicht-Darstellung eines Zylinders, die den
Zusammenhang zwischen einem vorgeformten Auftragschweiß-Abschnitt
und einer endbearbeiteten Oberfläche
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Bezug
nehmend auf 1, wird bei der Herstellung
eine Mehrzahl von Auftrag-Schweißraupen 2 (im Weiteren
als Schweißraupen 2 bezeichnet)
an der Innenfläche
eines Zylinders eines Zylinderblocks 1 ausgebildet. Die
Schweißraupen 2 werden
an vorher ausgewählten
Bereichen ausgebildet, wo es wahrscheinlich ist, dass ein starker
Verschleiß durch
den Kolben entlang der Zylinderbohrung des Zylinderblocks 1 auftritt.
Nach der Endbearbeitung bilden die Schweißraupen 2 eine verschleißfeste Schicht
auf der Innenfläche
des Zylinders, wie noch beschrieben werden wird.
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Schweißraupen 2 werden
in Bereichen (später
gezeigt) ausgebildet, die durch ein nicht akzeptables Maß an Verschleiß durch
den Kolben im Betrieb gekennzeichnet sind. Diese Bereiche erfahren
den stärksten Verschleiß, wenn
sich ein Kolben (auch später
gezeigt) im Betrieb des Zylinderblocks 1 nach oben und
nach unten bewegt.
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Diese
Bereiche umfassen einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich,
wie noch erläutert
werden wird. Der erste Bereich erstreckt sich entlang einer in Druckkraft-Richtung
gelegenen Zylinderwand über
einen Winkelbereich, der Werte von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85 annimmt,
wie noch erläutert
werden wird. Der zweite Bereich erstreckt sich entlang einer in
Gegen-Druckkraft-Richtung gelegenen Zylinderwand über einen Winkelbereich,
der Werte von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85 annimmt,
wie noch beschrieben werden wird.
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Bezug
nehmend auf 2 und 3, bewegt
sich im Betrieb ein Kolben 3a im Zylinderblock nach oben
und nach unten. Ein Kuppelmechanismus weist eine Pleuelstange 3b auf,
die einen Kolben 3a mit einer Kurbelwelle 3 kuppelt.
Im Betrieb arbeitet die Pleuelstange 3b in einer Ebene
senkrecht zur Mittelachse der Kurbelwelle 3.
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Während eines
Zündvorganges
im Zylinderblock 1 drückt
oder schiebt ein Explosionsdruck E den Kolben 3a nach unten
in Richtung auf die Kurbelwelle 3 zu. Die Pleuelstange 3b nimmt
den Explosionsdruck E vom Kolben 3a auf und treibt die
Kurbelwelle 3 in einer Drehbewegung an. Eine Reaktionskraft
FP wirkt von der Pleuelstange als Reaktion
auf Motor- und andere Kräfte
nach oben auf den Kolben 3a. Eine Druckkraft FS drückt nach
außen
auf den Zylinderblock und als Reaktion auf den Zylinderblock 1 nach
innen auf den Kolben 3a.
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Eine
erste Press- oder Druck-Richtung ist als eine Druck-Richtung D1 definiert.
Wenn Kolben 3a sich nach unten bewegt, erfährt er sowohl
die axiale Druckkraft FS als auch wegen
der Schrägstellung
der Pleuelstange 3b eine Seitenkraft entlang der Druck-Richtung
D1.
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Eine
zweite Press-Richtung ist als eine Gegen-Druck-Richtung D2 definiert. Wenn Kolben 3a sich nach
oben, von der Kurbelwelle 3 weg, bewegt, erfährt er entlang
der Gegen-Druck-Richtung D2 eine Kraft, die der Kraft FS entgegen
gerichtet ist und aus der Reaktionskraft auf die Kompression der
Gase im Zylinderblock 1 und der entgegen gerichteten Schräglage der
Pleuelstange 3b resultiert.
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Während des
Betriebs ist die Druck-Richtung D1 entgegen zur Gegen-Druck-Richtung
D2 gerichtet, wie noch erklärt
werden wird.
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Bezug
nehmend nun auch auf 3, wird ein Mittelpunkt C durch
eine axiale Linie im Zentrum des Zylinders des Zylinderblocks 1,
definiert. Im Betrieb rotiert ein Kurbelzapfen um den Wellenzapfen
der Kurbelwelle 3 in einer Richtung R. Die Kurbelwelle 3 befindet
sich direkt unterhalb des Mittelpunkts C und die Pleuelstange 3b arbeitet
entlang eines Vektors senkrecht zur Kurbelwelle 3. Im Betrieb,
wenn der Kolben 3a sich nach unten auf die Kurbelwelle 3 zu
bewegt, ist eine Seite 6A des Zylinderblocks 1 derjenige
Bereich, der einer Reibungskraft ausgesetzt ist. Die Seite 6A ist
entlang der Druck-Richtung D1 zentriert. Eine Ebene L ist als eine
Ebene definiert, welche die Kurbelwelle 3 im rechten Winkel
schneidet und die Hauptachse der Pleuelstange 3b enthält.
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Mit
L als einer Grenzebene ist der erste Bereich (nicht gezeigt) so
definiert, dass er sich auf beiden Seiten der Druck-Richtung D1
und der Ebene L in den Grenzen von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° mit dem
Mittelpunkt C als Bezugspunkt erstreckt. Der erste Bereich ist ein
Bereich, der selektiv bei der Verarbeitung mit Schweißraupen 2 versehen
wird, um verschleißfest
zu sein. Der erste Bereich, in der Ausführungsform von 3 gezeigt
und definiert entlang der Seite 6A, benutzt Grenzen, die
als zumindest etwa ±45° dargestellt sind,
mit Mittelpunkt C als Bezugspunkt und zu beiden Seiten der Druck-Richtung
D1.
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Im
Betrieb, wenn der Kolben 3a sich nach oben bewegt, von
der Kurbelwelle 3 weg nach oben getrieben, ist eine Seite 6B des
Zylinderblocks 1 einer Reibungskraft ausgesetzt. Die Seite 6B ist
entlang der Gegen-Druck-Richtung D2 zentriert. Eine Ebene L' ist als eine Ebene
definiert, welche die Kurbelwelle 3 im rechten Winkel schneidet
und die Hauptachse der Pleuelstange 3b enthält.
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Mit
L' als einer Grenzebene
ist ein zweiter Bereich (nicht gezeigt) so definiert, dass er sich
auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung D2 und der Ebene L' in den Grenzen von
mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° mit dem
Mittelpunkt C als Bezugspunkt erstreckt. Der zweite Bereich ist
ein Bereich, der bei der Verarbeitung auch selektiv mit Schweißraupen 2 versehen
wird, um verschleißfest
zu sein. Der zweite Bereich, in der Ausführungsform von 3 gezeigt,
benutzt Grenzen von zumindest etwa ±45°, mit Mittelpunkt C als Bezugspunkt
und zu beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung D2.
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In
dieser Ausführungsform
sind der erste Bereich der Druck-Richtung
D1 (und Seite 6A) und der zweite Bereich der Gegen-Druck-Richtung
D2 (und Seite 6B) symmetrisch. Druck-Richtung D1 und Gegen-Druck-Richtung
D2 sind senkrecht zur Kurbelwelle 3 und sind im Allgemeinen
entlang der Bewegungslinie der Pleuelstange 3b orientiert.
Ferner können,
abhängig
von der Motordynamik, die Druck-Richtung D1 und die Gegen-Druck-Richtung
D2 (und entsprechend erster und zweiter Bereich) leicht von der
Symmetrie abweichen.
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Die
Anforderungen an die benötigten
verschleißfesten
Bereiche und das erforderliche Maß an Verschleißfestigkeit
umfassen Temperatur, Wärmeübertragungsraten,
Verschleißrate,
das Vorhandensein und die Art der im Zylinderblock 1 verwendeten
Schmierung und viele andere Faktoren.
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Als
ein Ergebnis kann der Bereich, über
den sich die Schweißraupen 2 in
der Druck-Richtung D1 erstrecken, bei anderen Ausführungsformen,
da die für
den Schutz des Zylinderblocks 1 nötige Verschleißfestigkeit
von einer solchen Vielzahl von Anforderungen abhängt, angepasst werden und kann
sich von dem Bereich unterscheiden, über den sich die Schweißraupen 2 in
der Gegen-Druck-Richtung D2 erstrecken. Somit ist die Symmetrie
der Seiten 6A, 6B nicht erforderlich.
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Wichtig
beim Schaffen einer verschleißfesten
Schicht mittels Auftragschweißen
ist, dass die Auftragschichten, die nach der abschließenden Endbearbeitung
eine Dick zwischen etwa 2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen etwa
3 mm und 4 mm, aufweisen, in den für Abtrag und Verschleiß anfälligsten
Bereichen angeordnet sind. Um diese Dicke unterzubringen, ist es
von Vorteil, die Innenfläche
des Zylinders vor dem Schweißen
vorzuformen.
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Bezug
nehmend auf 4(A), stellt eine Linie 7 näherungsweise
eine Innenfläche
eines Zylinders des Zylinderblocks 1 vor dem Auftragschweißen dar.
Eine unterbrochene Linie 8 stellt die vorhergesagte endbearbeitete
Innenfläche
des Zylinders nach der Endbearbeitung dar.
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Es
ist wichtig zu verstehen, dass bei der Vorbereitung für das Auftragschweißen der
Innenfläche
des Zylinders, gesehen entlang der Zylinderachse, eine halb-elliptische
oder eine ähnliche
Form gegeben wird. Der Zwischenraum zwischen Linie 7, und
unterbrochener Linie 8 stellt näherungsweise den nach der Endbearbeitung
mit Schweißraupen 2,
wie beschrieben werden wird, gefüllten
Raum dar.
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Bezug
nehmend auf 4(B) und 4(C),
beim Auftragschweiß-Vorgang wird die
Mehrzahl der Auftragschweißraupen 2 entlang
der Linie 7 aufgebracht und ragt in der Endform etwas über die
Position der durchbrochenen Linie 8 hinaus. Ein auftraggeschweißter Abschnitt 9 stellt
das anfängliche
Ergebnis der Mehrzahl von Auftragschweißraupen 2 dar. Da
die äußere Oberfläche (nicht
gezeigt) des auftraggeschweißten
Abschnitts 9 rau und häufig
Einbrandkerben aufweist, werden die Schweißraupen über die Position der unterbrochenen
Linie 8 hinaus aufgetragen. In einer späteren Bearbeitung wird die
innere Umfangsoberfläche
des Zylinders vollständig
geglättet
und jegliche Einbrandkerbe beseitigt, wodurch eine glatte Oberfläche entsteht.
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Bezug
nehmend auf 5 als eine Alternative zur obigen
Ausführungsform,
kann ein Auftragschweiß-Abschnitt 10 in
einem Zylinderblock 1 vorgeformt und mit Schweißraupen 2 gefüllt sein.
Späteres
Bearbeiten und Glätten
erzeugt eine vollkommen runde glatte Oberfläche 11.
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In
Abhängigkeit
von der gewünschten
Verschleißfestigkeit
und der gewünschten
Minimierung der Verformung können
der vorgeformte auftraggeschweißte
Abschnitt 10 und die Innenfläche eine Vielzahl von Formen
annehmen, die speziellen Anforderungen und Produktionserfordernissen
angepasst sind.
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Ein
Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren
ist das bevorzugte Verfahren zum Ausbilden der Auftragschweißraupe 2 gemäß der Erfindung.
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Beispiele
zulässiger
Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren sind ein
Plasma-Pulver-Auftragschweißverfahren,
ein WiG-Lichtbogen-Legierungs-Auftragschweißverfahren, ein CO2-Lichtbogen-Schweißverfahren,
ein Laser-Schweißverfahren
und ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren.
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Andere
Techniken zum Ausbilden einer verschleißfesten Schicht auf der Innenfläche des
Zylinders beinhalten thermisches Spritzen und Plattieren. Unglücklicherweise
tritt da, wo eine Grenzfläche
aus thermischem Spritzen und Plattieren sich auf einer Gleitfläche befindet,
ein Membran-Abschälen
auf. Unerwünschtes Membran-Abschälen tritt
auf, da sowohl beim thermischen Spritzen als auch beim Plattieren
keine dauerhafte Verbindung zwischen der verschleißfesten
Schicht und dem Grundmaterial geschaffen wird. Somit wird bei der Erfindung
die verschleißfeste
Schicht vorzugsweise weder mittels thermischen Spritzens noch mittels
Plattieren ausgebildet, sondern mittels Auftragschweißens, wobei
ein Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren angewendet
wird.
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Beim
Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahrenverbindet
sich die mittels Auftragschweißens
gebildete verschleißfeste
Schicht fest mit dem Grundmaterial, um so ein Abschälen sogar
dazu verhindern, wo sich die Grenzschicht auf der Gleitfläche befindet.
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Beim
Plasma-Pulver-Auftragschweißverfahren
wird die Oberfläche
eines Grundmaterials mittels eines Plasmastrahls geschmolzen, um
eine Schmelze zu schaffen. Ein Pulver (Material für die Deckschicht)
und ein Trägergas
werden dann der Schmelze zugegeben, um eine Deckschicht zu bilden.
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Beim
WIG-Lichtbogen-Legierungs-Auftragschweißverfahren wird dadurch eine
legierte Schicht erhalten, dass ein Pulver, das auf ein Grundmaterial
durch eine Pulver-Förder-Düse aufgebracht
wurde, einer Schmelze hinzugefügt
wird, die mittels Aufschmelzens der Oberfläche eines Grundmaterials mit
einem WIG-Schweißapparat
erzeugt wurde.
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Jedes
der Verfahren, die einen CO2-Lichtbogen,
einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl benutzen, sind gemäß einem
gemeinsamen Verfahrensprinzip geeignet, wobei der einzige große Unterschied
in der Wärmequelle
für das
Schmelzen besteht.
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Es
werden die Ergebnisse von Beispielen des Herstellungsverfahrens
gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Beispiele 1 bis 3
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Es
wird eine verschleißfeste
Schicht auf der Innenfläche
des Zylinders eines Ein-Zylinder-Zylinderblocks mit einem Innendurchmesser
von 100 mm ausgebildet, wobei eine Plasma-Pulver-Auftragschweiß-Ausrüstung unter den in Tabelle
1 gezeigten Bedingungen eingesetzt wird.
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Drei
Arten von Schweißoperationen
werden an verschiedenen Schichtwinkeln in einem Bereich zwischen
etwa ±5° und ±85° von der
Druck-Richtung D1 und der Gegen-Druck-Richtung D2 aus ausgeführt, indem
der Zylinder gedreht wird. Es wird als Füllmaterial ein Legierungspulver
verwendet, das Aluminium, 23 % Si, 3 % Co, 3 % Fe, 3 % Ni, 3 % Cu
und 1 Mg (Gewichtsprozent) enthält.
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Nach
einem abschließenden
Glätten
wird der Zylinderblock zusammengebaut, um einen betriebsbereiten
Motor zu bilden. Ein Dauertest auf dem Motorprüfstand wird mit 25 Tests mit
7000 U/min für
25 Minuten (total 4 375 000 Umdrehungen) durchgeführt.
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Das
Anwachsen des Innendurchmessers eines Zylinders nach dem Dauertest
auf dem Motorprüfstand ist
in Tabelle 2 gezeigt.
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In
den Beispielen 1–3
wird der Arbeitsbereich vor dem Auftragschweißen vorgewärmt (auf 150°C), um Rissbildung
zu verhindern und durch Wasserstoff verursachte Gaseinschlüsse zu minimieren.
Die Schweißstromstärke betrug
180 bis 150 A. Bei den Beispielen 1–3 wird die Stromstärke entsprechend
der Tatsache verringert, dass mit zunehmender Dauer des Schweißvorgangs
mehr Wärme
im Werkstück
gespeichert ist.
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Wie
aus Tabelle 2 zu sehen, wächst
der Innendurchmesser, gemessen an der Druck-Richtung und der Gegen-Druck-Richtung, bei einem
Bereich von ±5° stark an.
Diese Zunahme des Durchmessers ist nicht groß genug, um Anbackungen zu
verursachen. Deshalb ist festzustellen, dass Auftragschweißen, zumindest
in diesem Wertebereich, eine verschleißfeste Schicht ergibt, die
wirkungsvoll einen Schaden verhindert.
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Daneben
existiert bei einem Bereich von etwa ±85° bei Betrachtung der Druck-
und Gegen-Druck-Richtung eine obere angenäherte Grenze der Wirksamkeit.
Diese obere Grenze beruht lediglich auf Überlegungen zu den Auswirkungen
der verschleißfesten
Schicht. Sollten Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, die über das
normale Maß hinausgehen,
auftreten, kann der Bereich den Erfordernissen entsprechend vergrößert werden.
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Nach
den obigen Beispielen 1–3
sollte die verschleißfeste
Schicht einen Bereich überdecken,
dessen Erstreckung von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° reicht, um eine Innenfläche zu erhalten,
die sowohl eine ausreichende Verschleißfestigkeit als auch einen
Grad von Schweißspannungen
aufweisen, der eine einfache Nachbearbeitung des Materials erlaubt.
Da der Bereich, der mit der Auftragschweißung versehen wird, auf die oben
beschriebenen Bereiche beschränkt
ist, können
die Schweißspannungen
wirkungsvoll beherrscht werden und die Verformung durch die Spannungen
minimiert werden.
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Andere Beispiele
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Obgleich
festgestellt wurde, dass bei den Beispielen 1–3 ein Legierungspulver verwendet
wurde, das Aluminium, 23 Si, 3 % Co, 3 % Fe, 3 % Ni, 3 % Cu und
1 % Mg (Gewichtsprozent) enthält,
ist die Erfindung nicht auf den Gebrauch eines solchen Legierungspulvers
beschränkt,
sondern sie kann an verschiedene Legierungen entsprechend der Herstellerbedürfnisse
angepasst werden.
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Das
Verfahren der Erfindung kann mit (einer) Deckschichtlegierung(en)
eingesetzt werden, wie sie in den ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen
JP 10-030163 A und JP 10-096087 A von denselben (demselben) Erfinder(n)
beschrieben sind.
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In
der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungen
JP 10-030163 A besteht ein geeignetes Legierungspulver aus einem
Aluminium-Legierungspulver, das 5 bis 20 mol % Silber, 5 bis 20
mol % Kupfer, 5 bis 20 mol % Silizium und der Rest Aluminium enthält. Auch
ist ein ähnliches,
aber bevorzugtes Legierungspulver offenbart, das 10 bis 15 mol %
Silber, 10 bis 15 mol % Kupfer, 10 bis 15 mol % Silizium und der
Rest Aluminium besteht.
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In
der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungen
JP 10-096087 A ist eine geeignete Deckschicht offengelegt, welche
Aluminium als Hauptbestandteil, 1 bis 40 mol % Kupfer und andere
der Erfindung angepasste Legierungsbestandteile enthalten kann.
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Bei
allem bisher Gesagten war das Werkstück für die Schweißung ein
Zylinderblock aus Aluminium.
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Es
sollte dem Leser bewusst sein, dass das Verfahren gemäß der Erfindung
für das
Schweißen
an einem Zylinderblock aus Gusseisen angepasst werden kann, wie
es in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungen
JP 09-314342 A offengelegt ist.