DE102007016991B4

DE102007016991B4 - Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlußteils an einem Metallkörper und Gegenstand, hergestellt nach diesem Verfahren

Info

Publication number: DE102007016991B4
Application number: DE102007016991.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: DE102007016991A1

Abstract

Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils (8) an einem Metallkörper (1), insbesondere eines Abzweigstückes an einem Rohr, bei dem
a) in einem ersten Schritt ein drehendes Formwerkzeug (2) unter Entwicklung von Reibungswärme durch eine Wandfläche des Metallkörpers (1) vorbewegt wird, wobei in der Wandfläche des Metallkörpers (1) durch Fließformung eine mit beiden Enden über die Wandfläche vorspringende Buchse (4) erzeugt wird,
mit den weiteren Schritten
b) Einsetzen eines in die Buchse (4) passenden Befestigungsabschnitts (9) des Anschlussteils (8) in die Buchse (4) und
c) Einführen eines Drehwerkzeugs (13) in den Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8) und Vorschieben des Drehwerkzeugs (13) durch den Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8), wobei unter Erzeugung von Reibungswärme die Buchse (4) und der Befestigungsabschnitt (9) miteinander reibverschweißt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils an einem Metallkörper, insbesondere eines Abzweigstücks an einem Rohr, sowie auf einen danach hergestellten Gegenstand.
Derartige Gegenstände aus einem Metallkörper und einem Anschlussteil werden auf vielen Gebieten der Technik benötigt. Für die Herstellung eines entsprechenden Gegenstandes sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise wird das Anschlussteil an den Metallkörper angeschweißt, nachdem der Metallkörper im Anschlussbereich mit einer Bohrung versehen wurde. Durch das Schweißen lässt sich zwar eine stabile Verbindung erzielen, die im Falle einer Rohrabzweigung auch dauerhafte Dichtheit gewährleistet, das Schweißen erweist sich aber als besonders aufwändig und erfordert in der Regel noch eine Nachbearbeitung der Schweißnaht.
Ferner ist es insbesondere bei vergleichsweise dicken oder dickwandigen Metallkörpern bekannt, in diesen eine Bohrung mit einem Innengewinde auszubilden, in das ein Anschlussteil eingeschraubt wird. In diesem Falle besteht jedoch die Möglichkeit, dass sich die Gewindeverbindung unerwünscht und in störender Weise lockert. Im Falle einer Rohrabzweigung sind außerdem zusätzliche Dichtungsmaßnahmen unter Einsatz von Dichtungsmitteln zu treffen, die einer Alterung unterworfen sind und daher nicht dauerhaft sicher abdichten.
Die DE 25 52 665 B2 zeigt und beschreibt allgemein ein Verfahren zur Fließformung einer einen Durchzug bildenden Buchse in der Wandung eines Metallkörpers.
Die WO 2006/061203 A1 zeigt und beschreibt Reibschweißverbindungen zwischen einem Blechteil und einem Rotationskörper, wobei das Blechteil eine Ausbuchtung aufweist, in die ein sich drehender Rotationskörper mit einer konischen Kontaktfläche hineingedrückt wird, so dass durch die Relativbewegung der konischen Kontaktfläche des rotierenden Körpers und der Ringwand der Ausbuchtung im nicht rotierenden Blechteil eine Reibschweißverbindung entsteht. In Verbindung mit einer Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Hülse durch Rotation mit der Wandung eines durch Fließformen ausgebildeten Durchzugs reibverschweißt wird. Es wird hier das klassische Reibschweißverfahren beschrieben, bei welchem einer der beiden miteinander zu verschweißenden Gegenstände stationär ist, während sich der zweite, mit dem ersten Gegenstand zu verschweißende Gegenstand relativ dazu bewegt. Des Weiteren wird erwähnt, dass auch ein Lot an der Verbindungsstelle zwischen Blechteil und Rotationskörper vorgesehen sein kann.
Die JP 610 56 789 A zeigt und beschreibt das Einsetzen einer Buchse mittels Reibschweißens in eine Bohrung eines dünnwandigen Metallgegenstands. Die Buchse ist auf den Schaft eines Reibschweiß-Rotationswerkzeugs aufgesetzt, wobei unklar ist, ob sie anfänglich am Dorn festgelegt oder auf diesem drehbar ist. Zunächst wird in den Metallgegenstand ein Loch gebohrt, in welches die Buchse dann zusammen mit dem rotierenden Reibschweiß-Werkzeug eingeführt wird und dabei durch Rotationsreibschweißen mit dem dünnwandigen Rand der Bohrung verschweißt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und sowohl manuell wie auch mit vollautomatischen Werkzeugmaschinen einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils an einem Metallkörper vorzusehen, das zu einer stabilen und dauerhaft hermetisch dichten Verbindung führt und ohne Nachbearbeitungsaufwand auskommt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils an einem Metallkörper, insbesondere eines Abzweigstückes an einem Rohr, vorgesehen, bei dem in einem ersten Schritt ein drehendes Formwerkzeug unter Entwicklung von Reibungswärme durch eine Wandfläche des Metallkörpers vorbewegt wird, wobei in der Wandfläche des Metallkörpers durch Fließformung eine mit beiden Enden über die Wandfläche vorspringende Buchse erzeugt wird, mit den weiteren Schritten des Einsetzens eines in die Buchse passenden Befestigungsabschnitts des Anschlussteils in die Buchse und des Einführens eines Drehwerkzeugs in den Befestigungsabschnitt des Anschlussteils und Vorschieben des Drehwerkzeugs durch den Befestigungsabschnitt des Anschlussteils, wobei unter Erzeugung von Reibungswärme die Buchse und der Befestigungsabschnitt miteinander reibverschweißt werden.
Somit ist erfindungsgemäß ein zweistufiges Verfahren mit einer Fließformung der Buchse unter drehender Reibungswärme als erstem Schritt vorgesehen. Dieses Fließformen kann als Verdrängungsbohren rund um das Bohrloch bezeichnet werden, wobei ein Materialfluss sowohl in Bohrrichtung wie entgegen der Bohrrichtung, also der Vorschubrichtung des sich drehenden Fließformwerkzeugs, stattfindet und sich eine einstückig angeformte im Wesentlichen zylindrische Buchse ausbildet. Der zweite Bearbeitungsschritt ist ein Schweißvorgang, bei dem die Schweißwärme ebenfalls durch drehende Reibungswärme aufgebracht wird.
Ersichtlich ist dieses Verfahren trotz seiner Zweistufigkeit einfach und preiswert auch bei einer Massenproduktion einzusetzen, weil ausschließlich Drehbearbeitungen am Werkstück durchzuführen sind. Dabei finden beide Drehbearbeitungsschritte ohne jegliches Abtragen von Material oder Staubpartikeln statt. Auch ist der Energiebedarf des Verfahrens für die Erzeugung der Reibungswärme zur Materialerwärmung bzw. für den Schweißvorgang vergleichsweise gering.
Vorzugsweise wird der Befestigungsabschnitt des Anschlussteils vor seinem Einsetzen in die Buchse mit einem Lotauftrag versehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach dem ersten Schritt in die fließgeformte Buchse ein Innengewinde eingeformt wird und im zweiten Schritt das Anschlussteil mit seinem ein Außengewinde aufweisenden Befestigungsabschnitt in die Buchse eingeschraubt wird.
Schließlich ist es auch von Vorteil, wenn bei der Fließformung der Buchse im ersten Schritt an dem zum Formwerkzeug weisenden Ende der Buchse ein sich radial nach außen erstreckender Außenflansch ausgeformt wird, wenn das im zweiten Schritt mit seinem Befestigungsabschnitt in die Buchse eingesetzte Anschlussteil einen sich radial nach außen erstreckenden Bundabschnitt aufweist, der an seiner vom Außenflansch der Buchse abgewandten Seite mit einer radialen Übergangsfläche versehen ist, und wenn das Drehwerkzeug einen sich radial nach außen erstreckenden Reibflansch aufweist, der im dritten Schritt auf die radiale Übergangsfläche auftrifft und dadurch die Reibungswärme erzeugt, die den Bundabschnitt des Anschlussteils mit dem Außenflansch der Buchse reibverschweißt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen fertigen Gegenstand, der aus einem Metallkörper, insbesondere einem Rohr, und einem metallischen Anschlussteil besteht und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
Dieser Gegenstand ist somit erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper eine einstückig mit ihm verbundene fließgeformte Buchse aufweist, wobei die mit dem Metallkörper einstückig verbundene fließgeformte Buchse einen Befestigungsabschnitt des Anschlussteils aufnimmt, der mit der Buchse nach einem Verfahren gemäß der Erfindung reibverschweißt verbunden ist.
Wie sich bereits aus den vorangehenden Ausführungen zum Verfahren ergibt, lässt sich dieser Gegenstand einfach und umweltfreundlich sowie manuell oder vollautomatisch herstellen. Es bereitet auch keine besonderen Schwierigkeiten, von einem dünnwandigen Metallkörper bzw. Rohr auszugehen, weil durch die Fließformung die Materialstärke im Verbindungsbereich den Anforderungen angepasst werden kann.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel und anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen rohrförmigen Metallkörper sowie ein drehendes Formwerkzeug zu dessen Bearbeitung in Seitenansicht;
2 in Stirnansicht den kreisringförmigen Metallkörper mit der fließgeformten Buchse und dem Werkzeug während seines Rückhubes;
3 den Metallkörper gemäß 2 mit einem Gewindefertiger zur weiteren Bearbeitung;
4 den Metallkörper nach der Bearbeitung gemäß 3 mit einem separaten Anschlussteil;
5 den Metallkörper nach dem Einschrauben des Anschlussteils sowie ein Drehwerkzeug zur Reibverschweißung; und
6 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die fertiggestellte Verbindung von Metallkörper und Anschlussteil.
Gemäß 1 ist ein Metallkörper 1 vorgesehen, bei dem es sich um ein Rohr mit Kreisquerschnitt handelt, wie 2 veranschaulicht. Dieser Metallkörper 1 (Werkstück) wird mit einem drehenden Formwerkzeug 2 bearbeitet, das in Ausrichtung auf die Achse des Metallkörpers 1 durch dessen Umfangswand vorgeschoben wird und dabei unter Fließverlagerung des Werkstoffs die Umfangswand durchstößt.
Entsprechende Fließformwerkzeuge sind bekannt. Sie erzeugen Reibungswärme, die den Werkstoff weich und leicht verformbar macht. Dabei werden die Antriebskraft, die Drehzahl, die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubkraft des Werkzeugs gegenseitig abgestimmt sowie an den Werkstoff und die zu durchstoßende Wandstärke angepasst. Der verdrängte Werkstoff fließt nicht nur in Vorschubrichtung einwärts, sondern auch entgegen der Vorschubrichtung auswärts. Diese Auswärtsverlagerung wird durch einen am Formwerkzeug 2 vorgesehenen Bundformer 3 begrenzt, der somit für einen außenseitig glatten und ebenen Werkstoffabschluss sorgt.
2 und 3 zeigen den Metallkörper 1 nach dieser Umformung. Diese führt gemäß 2 zu einer etwa hülsenförmigen Buchse 4, die radial im rohrförmigen Metallkörper 1 angeordnet ist und nach innen wie nach außen gegenüber der Metallkörperwand vorspringt. Dabei ist am äußeren Ende der Buchse 4 ein Außenflansch 5 vorhanden, für dessen Ausbildung der Bundformer 3 gesorgt hat.
Gemäß 3 wird die Buchse 4 mit Hilfe eines Gewindefertigers 6 spanlos mit einem Innengewinde 7 versehen, das in 4 angedeutet ist. In 4 ist ferner ein Anschlussteil 8 dargestellt, das einer Schraube vergleichbar einen schaftförmigen Befestigungsabschnitt 9 mit einem Außengewinde 10 sowie einen verbreiterten Kopf 11 aufweist. Durch das Anschlussteil 8 erstreckt sich eine gestufte zentrale Anschlussbohrung 12, wie aus 6 zu ersehen ist.
Nach dem Einschrauben des Anschlussteils 8 in den Metallkörper 1 bzw. seine Buchse 4 ergibt sich der in 5 dargestellte aus dem Metallkörper 1 und dem Anschlussteil 8 zusammengesetzte Gegenstand.
Als letzter Bearbeitungsschritt wird nunmehr gemäß 5 ein Drehwerkzeug 13 durch die Anschlussbohrung 12 eingeführt. Dieses Drehwerkzeug 13 entspricht im Wesentlichen dem Formwerkzeug 2 gemäß 1. Es wird in entsprechender Weise unter Abstimmung von Antriebskraft, Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Vorschubkraft betrieben. Es ist jedoch im Durchmesser kleiner als das Formwerkzeug 2. Dabei ist das Drehwerkzeug 13 dem Befestigungsabschnitt 9 des Anschlussteils angepasst, hat jedoch einen etwas größeren Durchmesser als die zentrale Anschlussbohrung 12 im Befestigungsabschnitt, so dass hier beim Durchschieben des Drehwerkzeugs 13 ohne wesentliche Werkstoffverlagerung ebenfalls Reibungswärme erzeugt wird. Reibungswärme entsteht jedoch insbesondere dadurch, dass sich der dem Bundformer 3 des Formwerkzeugs 2 entsprechende Reibflansch 15 des Drehwerkzeuges 13 auf die radiale Übergangsfläche 16 (6) zwischen den abgestuften Abschnitten der Bohrung 12 auflegt und hier Reibungswärme erzeugt. Diese dient dazu, dem Reibschweißen vergleichbar eine feste und hermetisch dichte Verbindung zwischen der Buchse 4 und dem Befestigungsabschnitt 9 in deren Gewindebereichen zu erzielen.
Als Werkstoff des Metallkörpers 1 kommen solche Werkstoffe in Betracht, die sich für die beschriebene Fließumformung (1 und 2) eignen, also bei der entstehenden Reibungswärme ausreichend fließfähig sind. Ebenfalls sollte der Werkstoff des Metallkörpers 1 und/oder des Anschlussteils 8 so beschaffen sein, dass er bei der Bearbeitung mit dem Drehwerkzeug (5) in für die beschriebene Reibschweißung ausreichendem Maße erweicht. Dementsprechend ist die Bezeichnung ”Metallkörper” so zu verstehen, dass es sich ggf. auch um einen Körper aus einem anderen Werkstoff als (reinem) Metall und insbesondere aus neu entwickelten entsprechenden Werkstoffen handeln kann.
Dieses Reibschweißen kann auch bei Werkstoffen mit ungünstigeren Erweichungseigenschaften als ein Reiblöten durchgeführt werden. Dazu wird vor dem Einsetzen des Anschlussteils 8 auf dessen Befestigungsabschnitt 9 ein Lotauftrag 14 (6) aufgebracht, der dann durch die Wärmeentwicklung beim Bearbeitungsschritt gemäß 5 schmilzt und eine feste und dichte Verbindung zwischen dem Metallkörper 1 und dem Anschlussteil 8 gewährleistet.
Vorstehend wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einem Rundrohr und einem durchgängigen Anschlussteil erläutert. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Sie kann vielmehr auch bei einem plattenförmigen Metallkörper und mit einem nicht durchgängigen Anschlussteil zur Anwendung kommen. Ebenso kann darauf verzichtet werden, den Metallkörper 1 und das Anschlussteil 8 vor der Reibschweißung durch eine Verschraubung miteinander zu verbinden, so dass das Gewindeformen nach 3 entfällt.

Claims

Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils (8) an einem Metallkörper (1), insbesondere eines Abzweigstückes an einem Rohr, bei dem a) in einem ersten Schritt ein drehendes Formwerkzeug (2) unter Entwicklung von Reibungswärme durch eine Wandfläche des Metallkörpers (1) vorbewegt wird, wobei in der Wandfläche des Metallkörpers (1) durch Fließformung eine mit beiden Enden über die Wandfläche vorspringende Buchse (4) erzeugt wird, mit den weiteren Schritten b) Einsetzen eines in die Buchse (4) passenden Befestigungsabschnitts (9) des Anschlussteils (8) in die Buchse (4) und c) Einführen eines Drehwerkzeugs (13) in den Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8) und Vorschieben des Drehwerkzeugs (13) durch den Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8), wobei unter Erzeugung von Reibungswärme die Buchse (4) und der Befestigungsabschnitt (9) miteinander reibverschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8) vor seinem Einsetzen in die Buchse (4) mit einem Lotauftrag (14) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt a) in die fließgeformte Buchse (4) ein Innengewinde (7) eingeformt wird und im Schritt b) das Anschlussteil (8) mit seinem ein Außengewinde (10) aufweisenden Befestigungsabschnitt (9) in die Buchse (4) eingeschraubt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass bei der Fließformung der Buchse im Schritt a) an dem zum Formwerkzeug (2) weisenden Ende der Buchse (4) ein sich radial nach außen erstreckender Außenflansch (5) ausgeformt wird; – dass das im Schritt b) mit seinem Befestigungsabschnitt (9) in die Buchse (4) eingesetzte Anschlussteil (8) einen sich radial nach außen erstreckenden Bundabschnitt aufweist, der an seiner vom Außenflansch (5) der Buchse (4) abgewandten Seite mit einer radialen Übergangsfläche (16) versehen ist, und – dass das Drehwerkzeug (13) einen sich radial nach außen erstreckenden Reibflansch (15) aufweist, der im Schritt c) auf die radiale Übergangsfläche (16) auftrifft und dadurch die Reibungswärme erzeugt, die den Bundabschnitt des Anschlussteils (8) mit dem Außenflansch (5) der Buchse (4) reibverschweißt.
Gegenstand aus einem Metallkörper (1), insbesondere einem Rohr, und einem metallischen Anschlussteil (8), wobei der Metallkörper (1) eine einstückig mit ihm verbundene fließgeformte Buchse (4) aufweist und wobei die mit dem Metallkörper (1) einstückig verbundene fließgeformte Buchse (4) einen Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8) aufnimmt, der mit der Buchse (4) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 reibverschweißt verbunden ist.
Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (8) unter Zwischenfügung eines Lotauftrages (14) mit der Buchse (4) verbunden ist.
Gegenstand nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Gewindeverbindung (7, 10) zwischen der Buchse (4) und dem Befestigungsabschnitt (9) des Anschlussteils (8) vorgesehen ist.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass an einem Ende der Buchse (4) ein sich radial nach außen erstreckender Außenflansch (5) vorgesehen ist; – dass das Anschlussteil (8) einen sich radial nach außen erstreckenden Bundabschnitt aufweist, der an seiner vom Außenflansch (5) der Buchse (4) abgewandten Seite mit einer radialen Übergangsfläche (16) versehen ist, und – dass der Bundabschnitt des Anschlussteils (8) mit dem Außenflansch (5) der Buchse (4) reibverschweißt.