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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Im
Rennwagenbereich werden im Allgemeinen Materialien wie Aluminium-,
Titan- oder Kohlefaserverbundstoffe anstatt Stahl für die erwähnten Teiletypen
eingesetzt.
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Ein
weiterer interessanter Anwendungsbereich für MMC-Produkte sind Bremsscheiben für Autos,
Lkws und Züge.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung bietet eine unerwartete Lösung für das oben beschriebene Problem.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Beispiel für
ein Experiment, bei dem ein Stück
aus einem MMC-Material mit Hochgeschwindigkeitszerspanung aus einem
Rohmaterial geformt wurde;
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2 zeigt
ein Beispiel für
ein Motorteil, in diesem Fall eine Kolbenstange, das mit dem Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung produziert wurde.
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Beste und
verschiedene Arten der Ausführung
der Erfindung
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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.
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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.
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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:
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- – 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.
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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.