DE102006036009A1

DE102006036009A1 - Verfahren zum Verbinden von Schalenteilen

Info

Publication number: DE102006036009A1
Application number: DE102006036009A
Authority: DE
Inventors: Raphael Dr. Fischer; Ralf Dr. Hund
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US20100006212A1; WO2008014767A1; US7955463B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Schalenteilen, welche beispielsweise durch Tiefziehen von Blech gefertigt wurden. Bei den Schalenteilen kann es sich um beliebige Werkstücke eines Fahrwerkteils in Form von Halbzeugen oder anderen Bauteilen handeln, welche für eine Falzverbindung geeignet sind. Hierfür müssen die Schalenteile Ränder aufweisen, welche in der Verbindungsposition aneinander anliegend angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst das Anordnen der zu verbindenden Schalenteile in einer Position, welche für die Schalenteile im verbundenen Zustand vorgesehen ist. Anschließend wird der Rand des ersten Schalenteiles um den Rand des zweiten Schalenteiles gefalzt, sodass ein Falz ausgebildet wird. Nach dem Falzvorgang wird der Falz gemäß der Erfindung erwärmt und anschließend nochmals zusammengepresst. Hierdurch wird eine formschlüssige und spaltfreie Falzverbindung erzielt, mit welcher die Schalenteile dauerhaft fest verbunden sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Schalenteilen, welche beispielsweise durch ein Tiefziehen von Blech gefertigt wurden.
Schalenteile aus Blech finden beispielsweise im Fahrzeugkarosseriebau vielfach Anwendung. Die Verbindung der Schalenteile kann z.B. durch Stanznieten, durch Punktschweißverbindungen oder durch ein Umbördeln oder Falzen der Blechränder erfolgen.
Aus der DE 100 28 706 A1 ist eine Vorrichtung zum Umlegen einer Bördelkante eines Werkstückes durch Rollfalzen mit einer antreibbaren Werkzeugeinheit bekannt. Die Werkzeugeinheit ist schwenkbar gelagert, damit mehrere Arbeitspositionen eingenommen werden können. Die Vorrichtung umfasst mehrere Falzrollen, welche das Werkstück in mehreren Stufen nacheinander verfalzen. Der in der letzten Falzstufe auf die Falzkante ausgeübte Druck bestimmt die Festigkeit der Falzverbindung. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die mit diesem und ähnlichen Verfahren erzielbare Festigkeit der Falzverbindung für viele Anwendungen nicht ausreichend ist. Unter wechselnden Lastbedingungen kommt es zu Mikrobewegungen zwischen den verbundenen Werkstücken. Diese Mikrobewegungen führen zu einem Materialabtrag im Fügespalt, welcher zunächst den meist vorhandenen Korrosionsschutz beschädigt. Dies kann zu einem korrosiven Angriff des Grundmaterials führen, sodass sich der Fügespalt immer weiter vergrößert und die Falzverbindung sich schließlich löst.
Aus der DE 100 33 768 A1 ist ein Verfahren zum Falzen von dünnwandigen Halbzeugen oder Bauteilen aus metallischem Werkstoff bekannt, wobei der Werkstoff bei Raumtemperatur spröde und/oder schwer umformbar ist. Es handelt sich hierbei insbesondere um Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen. Die Lösung sieht vor, den zu falzenden Bereich zu erhitzen. Die erzielbare Festigkeit einer Falzverbindung mit spröden Materialen ist jedoch begrenzt.
Aus der DE 103 31 205 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umlegen einer Bördelkante eines Werkstückes durch Rollfalzen bekannt. Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, die während eines Falzvorganges zumindest einen aktuell zu falzenden Bereich der Bördelkante direkt oder indirekt beheizt. Ein in dem Falz des Werkstückes angeordneter Kleber wird durch den Wärmeeintrag angeliert. Hierdurch können die ansonsten nacheinander ausgeführten Prozesse Falzen und Gelieren in einem Arbeitsgang zusammengefasst werden. Weiterhin erleichtert das Erwärmen des Werkstückes die Umformung, da sich die molekulare Gitterstruktur unter Wärmeeintrag leichter an Deformationen anpassen kann. Die Festigkeit der Falzverbindung wird insbesondere durch die Eigenschaften des Klebers bestimmt. Insofern kein Kleber verwendet wird, ist die mit dieser Lösung erzielbare Festigkeit wiederum durch den durch die Rollen erzielbaren Druck auf die Bördelkante begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Verbinden von Schalenteilen zur Verfügung zu stellen, mit welchem durch ein Falzen oder durch ein Umbördeln eines Schalenteilrandes eine dauerhaft feste Verbindung erzielt werden kann, unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten unabhängigen Anspruch.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst das Anordnen der zu verbindenden Schalenteile in einer Position, welche für die Schalenteile im verbundenen Zustand vorgesehen ist.
Bei den Schalenteilen kann es sich um beliebige Werkstücke von Fahrwerkteilen, insbesondere von Radträgern und/oder Schwenklagern, in Form von Halbzeugen oder anderen Bauteilen handeln, welche für eine Falzverbindung geeignet sind. Hierfür müssen die Schalenteile Ränder aufweisen, welche in der Verbindungsposition aneinander anliegend angeordnet sind.
Anschließend wird der Rand des ersten Schalenteiles um den Rand des zweiten Schalenteiles gefalzt, sodass ein Falz ausgebildet wird. Der Falz wird gemäß der Erfindung erwärmt und anschließend zusammengepresst. Hierdurch wird eine formschlüssige und spaltfreie Falzverbindung erzielt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dadurch ein bei den sonst üblichen Verfahren auftretender sogenannter Rücksprung von zu bearbeitenden bzw. zu formenden Teilen vermieden wird, wodurch sich durch die Erfindung ein höherer Formschluss und/oder eine höhere Formtreue – insbesondere bei Ausbildung eines engen Fügespalts – bei den zu bearbeitenden Teilen einstellt. Zurückzuführen ist dies darauf, dass bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Erwärmung der zu bearbeitenden Teile ein elastischer Anteil der Teile soweit reduziert wird, so dass sich die Teile bei der Bearbeitung im plastischen Bereich befinden. Die Verformung bleibt dann nach Entlastung nach dem Pressen im wesentlichen bestehen.
Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es auch zur Verbindung von Schalenteilen angewendet werden kann, welche bislang mit Verfahren zur Schaffung einer Falzverbindung gemäß dem Stand der Technik verbunden wurden. Es bedarf daher keiner Veränderung in der Herstellung oder Formgebung der Schalenteile, um das erfindungsgemäße Verfahren anwenden zu können. Gegebenenfalls können die zum erfindungsgemäßen Verbinden genutzten Ränder schmaler als diejenigen für eine Verbindung gemäß dem Stand der Technik ausgeführt werden, da durch das erfindungsgemäße Verfahren höhere Festigkeiten der Falzverbindung erzielt werden können.
Bevorzugt sind die Ränder der Schalenteile so ausgeführt, dass der Rand des ersten Schalenteiles gegenüber dem Rand des zweiten Schalenteiles überlappend angeordnet ist. Beim Falzen wird ausschließlich der Rand des ersten Schalenteiles gefalzt, während der Rand des zweiten Schalenteiles seine Form im Wesentlichen beibehält.
Weiter kann hier vorgesehen sein, dass die Ränder zusammen, mit sich entsprechenden Profilen profiliert sind, beispielsweise eine nutartige Gestaltung, wodurch ein erhöhter Formschluss – insbesondere geeignet bei Schub- und/oder Scherbeanspruchung.
Diese Ausführungsformen der Erfindung sind für die meisten Anwendungen hinsichtlich der Anordnung der Ränder optimal, da nur ein kurzer Rand am zweiten Schalenteil benötigt wird und lediglich das erste Schalenteil zu falzen ist. Die Erfindung kann aber auch für andersartige Anordnungen der Ränder von Schalenteilen ausgeführt werden. Beispielweise können die Ränder der beiden Schalenteile so angeordnet werden, dass sie bündig ab schließen, sodass sie gemeinsam gefaltet werden.
Vorzugsweise werden beim Erwärmen des Falzes sowohl der Rand des ersten Schalenteiles als auch der Rand des zweiten Schalenteiles erwärmt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Ränder beider Schalenteile eine durch die Erwärmung erhöhte Wirkung des Pressvorganges erfahren.
Vorzugsweise wird der Falz mindestens bis zu einer vorgebbaren Umformtemperatur, insbesondere einer Temperatur oberhalb von 700°C, erwärmt wird. Durch eine Erwärmung des Falzes bis zur genannten Umformtemperatur ist gewährleistet, dass beim Pressen eine Umformung wie beim Warmschmieden erzielt werden kann. Eine solche Umformung der Ränder der Schalenteile lässt sich mit einem Knetvorgang vergleichen.
Vorzugsweise wird beim Pressen eine Kraft erreicht, bei welchem zumindest die mit dem Rand des zweiten Schalenteils in Kontakt stehende Oberfläche des Randes des ersten Schalenteiles plastisch umformbar ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich die Oberfläche des Randes des ersten Schalenteiles vollständig den Unebenheiten der Kontaktfläche anpassen kann, sodass gegebenenfalls dort vorhandene Spalte durch Material des Randes des ersten Schalenteiles gefüllt werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der erwärmte Falz nach dem Zusammenpressen mit einem geeigneten Mittel zum Abkühlen beschleunigt abgekühlt. Hierdurch weist das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile eines Presshärtens auf, bei welchem die Festigkeit des Werkstoffes, insbesondere dessen Zugfestigkeit signifikant erhöht wird.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zwischen und/oder auf den Rändern der Schalenteile vor dem Falzen ein Fügestoff, insbesondere ein unter Berücksichtigung der Umformtemperatur ausgewählter Klebstoff, aufgetragen Der Fügestoff wird sich nach dem Fal zen in dem Falz ausbreiten und nach dem Aushärten die Falzverbindung dauerhaft unterstützen. Der Fügestoff kann auch zur Erhöhung der Dichtigkeit der Falzverbindung genutzt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigen:
1a, b, c eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2a, b eine beispielshafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Schwenklager in zwei Ansichten.
1 zeigt drei Phasen im Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Abbildung a) zeigt zwei zu verbindende Schalenteile, nachdem diese positioniert wurden. Abbildung b) zeigt die beiden Schalenteile nach einem Falzvorgang. Abbildung c) zeigt die beiden Schalenteile nach einem Pressvorgang.
Abbildung a) der 1 zeigt eine Schnittansicht eines ersten Schalenteiles 01 und eines zweiten Schalenteiles 02, welche mit einer Falzverbindung verbunden werden sollen. Die Schalenteile 01, 02 bestehen aus Stahlblech. Das erste Schalenteil 01 weist einen abgewinkelten falzbaren Rand 03 auf. Das zweite Schalenteil 02 weist ebenfalls einen abgewinkelten Rand 04 auf. Der Rand 03 des ersten Schalenteiles 01 ist breiter als der Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 ausgeführt. Die Schalenteile 01, 02 sind so angeordnet, dass deren Ränder 03, 04 aneinander anliegen, wobei der Rand 03 des ersten Schalenteiles 01 den Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 überlappt. Eine solche Anordnung kann über den gesamten Umfangsbereich der Schalenteile gegeben sein. Zumindest muss eine solche Anordnung in den Abschnitten der Schalenteile 01, 02 gegeben sein, in welchen die Schalenteile 01, 02 verbunden werden sollen.
Abbildung b) der 1 zeigt die Schalenteile 01, 02, nachdem der Rand 03 des ersten Schalenteiles 01 gefalzt wurde. Dieser Falzvorgang kann mit einem speziellen Falzwerkzeug vorgenommen werden. Es sind unterschiedlichste Falzwerkzeuge aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise eignen sich für viele Anwendungen antreibbare Rollenwerkzeuge, mit welchen der Falzvorgang stufenweise ausgeführt wird. Das Falzen des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 kann auch durch ein manuelles Bördeln des Randes erfolgen. Das Falzen kann auch während der Herstellung des ersten Schalenteiles 01 insoweit vorbereitet werden, dass dessen Rand 03 an der Falzlinie bereits um 90° abgewinkelt wird. Das Falzen erfolgt vorzugsweise im kalten Zustand, wenn die Schalenteile 01, 02 einschließlich deren Ränder 03, 04 Raumtemperatur aufweisen. Die Ränder 03, 04 können bei anderen Ausführungsformen aber auch bereits erwärmt sein, um das Falzen zu erleichtern.
Der Rand 03 des ersten Schalenteils 01 wird um den Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 herum gefalzt. Dies kann beispielsweise durch rollendes (kontinuierliches) Falzen erfolgen – oder stattdessen schrittweise durch einzelne Hübe.
Folglich wird der Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 nicht oder kaum verformt. Es erfolgt zumindest keine beabsichtigte Verformung des Randes 04 des zweiten Schalenteiles 02, wobei es in einigen Anwendungen zu einem leichten Abbiegen o. ä. kommen kann, was jedoch keine Beeinträchtigung darstellt.
Nach dem Falzen des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 ist ein Falz 06 ausgebildet. Der Falz 06 muss während dieses Schrittes des erfindungsge mäßen Verfahrens noch nicht mit einem hohen Druck zusammengepresst werden. Der Falz 06 muss noch nicht die für die Verbindung der Schalenteile 01, 02 notwendige Endfestigkeit aufweisen. Auch können innerhalb des Falzes 06 noch Spalte o. ä. vorhanden sein. Der durch das Falzen umgeformte Teil des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 weist einen annährend halbrunden Querschnitt auf.
Abbildung c) der 1 zeigt die Schalenteile 01, 02, nachdem der Falz 06 zusammengepresst wurde. Vor dem Beginn des Zusammenpressvorganges wird der Falz 06 erwärmt. Für die Erwärmung des Falzes 06 können unterschiedlichste Mittel verwendet werden. Beispielweise können hierfür Heißluftgebläse, Brenner oder induktive Heizeinrichtungen genutzt werden. Durch die Erwärmung werden der Rand 03 des ersten Schalenteiles 01 und auch der innen liegende Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 erwärmt.
Der erwärmte Falz 06 wird nach erfolgter Erwärmung mit einer hohen Kraft zusammengepresst, welche durch einen Pfeil 07 in der Abbildung c) symbolisiert ist. Die Kraft 07 wird so auf den Falz 06 gerichtet, dass sie zwischen der Außenseite des nicht umgeformten Teiles des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 und der Außenseite des umgefalzten Teiles des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 wirkt. Die Kraft 07 ist folglich senkrecht zum Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 ausgerichtet. Da der Falz 06 erwärmt ist, lässt sich der Falz 06 leichter umformen. Insbesondere wird der Falz 06 im Bereich der durch das Falzen gebildeten Falzkante umgeformt, da dort die Zusammenpresskraft durch eine Hebelwirkung vergrößert ist. Der umgefalzte Teil des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 weist nun statt des zuvor gegebenen halbrunden Querschnittes einen flachen Abschnitt parallel zum Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 sowie einen Abschnitt mit einer bündigen Falzkante auf. Durch das Zusammenpressen ist der Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 mit einer größeren Festigkeit in den Falz 06 eingeklemmt.
Die beim Zusammenpressen insbesondere beim umgefalzten Teil des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 erzielte Umformung bewirkt weiterhin, dass sich die in Kontakt stehenden Oberflächen der Ränder 03, 04 der Schalenteile 01, 02 eng und ohne Spalten oder andere Zwischenräume aneinanderlegen. Aufgrund dieser flächenhaften Ausbildung der Falzverbindung ist eine dauerhaft hohe Festigkeit gewährleistet. Es wird verhindert, dass nur Abschnitte oder nur Kanten des umgefalzten Teiles des Randes 03 des ersten Schalenteiles 01 auf dem Rand 04 des zweiten Schalenteiles 02 aufliegen.
2a zeigt eine Draufsicht auf ein Schwenklager 12 mit sichtbarer Oberschale 8 und umlaufendem Bördelrand 17, wobei die sichtbare Oberschale 8 mit einer in 2a nicht sichtbaren Unterschale über einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren realiserten Falz 10 verbunden sind.
2b zeigt einen Schnitt durch das Schwenklager 12 wie in 2a angedeutet 18. Dabei zeigt 2b die geschnittene Oberschale 8 und die geschnittene Unterschale 9 sowie den geschnittenen Falz 10, durch welchen Ober- 8 und Unterschale 9 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind. Weiter zeigt 2b eine Bohrung 11 zur Aufnahme des Radlager 19 (nicht dargestellt).

01: erstes Schalenteil
02: zweites Schalenteil
03: Rand des ersten Schalenteiles
04: Rand des zweiten Schalenteiles
05
06: Falz
07: Kraft zum Zusammenpressen
08: Oberschale
09: Unterschale
10: Falz
11: Bohrung
12: Schwenklager
13: Bremsanbindung
14: Federbeinaufnahme
15: Querlenkeranbindung
16: Spurstangenanbindung
17: Bördelrand
18: Andeutung Schnitt
19: Radlager

Claims

Verfahren zum Verbinden eines ersten Schalenteiles (01) eines Fahrwerkteils mit einem zweiten Schalenteil (02) des Fahrwerkteils, die folgenden Schritte umfassend: – Positionieren der Schalenteile (01, 02) in einer durch die Verbindung zu erzielenden Position, wobei ein falzbarer Rand (03) des ersten Schalenteiles (01) an einem Rand (04) des zweiten Schalenteiles (02) angeordnet ist; – Falzen des Randes (03) des ersten Schalenteiles (01) um den Rand (04) des zweiten Schalenteiles (02); – Erwärmen eines durch das Falzen geschaffenen Falzes (06); und – Zusammenpressen des erwärmten Falzes (06).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der falzbare Rand (03) des ersten Schalenteiles (01) gegenüber dem Rand (04) des zweiten Schalenteiles (02) überlappend angeordnet wird, wobei der Rand (04) des zweiten Schalenteiles (02) während des Falzens seine Form im Wesentlichen beibehält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erwärmen des Falzes (06) der Rand (03) des ersten Schalenteiles (01) und der Rand (04) des zweiten Schalenteiles (02) erwärmt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (03, 04) der Schalenteile (01, 02) zusammen, mit sich entsprechenden Profilen profiliert sind, insbesondere mit einer nutartigen Profilierung,
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Falz (06) mindestens bis zu einer vorgebbaren Umformtemperatur, insbesondere einer Temperatur oberhalb von 700°C, erwärmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen mit einer Kraft erfolgt, durch welche zumindest die mit dem Rand (04) des zweiten Schalenteils (02) in Kontakt stehende Oberfläche des Randes (03) des ersten Schalenteiles (01) plastisch umgeformt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenteile (01, 02) einschließlich deren Ränder (03, 04) beim Falzen Raumtemperatur aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Falz (06) nach dem Zusammenpressen beschleunigt abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen und/oder auf den Rändern (03, 04) der Schalenteile (01, 02) vor dem Falzen ein Fügestoff, insbesondere ein unter Berücksichtigung der Umformtemperatur ausgewählter Klebstoff, aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksteil ein Radträger und/oder Schwenklager ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schalenteil und/oder das zweite Schalenteil zur Aufnahme eines Radlagers, von Verbindungselementen zu einem Chassis, insbesondere einer Spurstangenaufnahme; eines Federbeins, eines Federdämpferelements und/oder einer Bremse geeignet ist.