DE102011000544A1

DE102011000544A1 - Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweissten Metallteils und danach hergestelltes reibgeschweisstes Metallteil

Info

Publication number: DE102011000544A1
Application number: DE102011000544A
Authority: DE
Inventors: Peter Kolbe; Ernst-Peter Schmitz; Thomas Körner
Original assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Current assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012107915A4; WO2012107915A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und mindestens einem daran befestigten Aussenerer Eigenschaften als der Schaft, mit Vorlegen eines Rohlings für das Aussenteil (1) mit einer runden Öffnung (5); Vorlegen eines stangenartigen Schaftrohlings (2) mit einem Endabschnitt (6), dessen Durchmesser grösser als die lichten Weite der runden Öffnung (5) entspricht und zu dieser zentriert angeordnet wird; Reibschweißen des Endabschnitts (6) des stangenartigen Schaftrohlings (2) mit dem Aussenteilrohling (1) unter Ausbildung eines Schweißwulstes (4) unter Eindringen des Endabschnitts (6) in die Öffnung (5) und Erweiterung derselben durch das Reibschweissen, bis zum Auftreffen des Endabschnitts am Ende der runden Öffnung (5) unter Ausbildung eines angeschweissten Aussenteils am Aussenteil (1), wobei die Schweissnaht im Aussenteil konisch verläuft und dieses den Schaftrohling umgibt; Umformen des so hergestellten Rohlings unter Herstellung einer Aussenteilkontur durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Schmieden, Stauchen, Elektrostauchen, Fliesspressen – alle genannten Verfahren im kalten oder halbwarmen oder warmen Temperaturbereich. Sowie danach hergestelltes Teil.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und einem daran befestigten Aussenteil grösseren Durchmessers als der Schaft sowie auf ein danach hergestelltes reibgeschweißtes Metallteil.
Nachfolgend wird die Erfindung generell erläutert, sie eignet sich aber insbesondere für an einem Schaft angebrachte Zahnräder, Ventilstössel, Tellerräder, Kegelräder und ähnliches.
Bisher war es mit hohem Materialeinsatz verbunden, wenn Teile geschmiedet werden sollten, die grosse Durchmesserunterschiede haben, wie die soeben genannten Bauteile. Es war notwendig, mehr Material einzusetzen, als für den eigentlichen Einsatzzweck benötigt wurde, da das Schmiedeverfahren so hohe Umformgrade an einem Teil nicht ermöglichte.
Es ist bekannt, zwei Metallteile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bspw. von der DE 32 05 183 A1 bekannt, bei einem Tellerventil den hochbelasteten Ventilboden durch Reibschweissen einen Hochtemperaturwerkstoff ganzflächig aufzubringen. Dadurch wird eine ganzflächige Verstärkung der Bodenfläche eines rotationssymmetrischen Tellers erzielt, nicht jedoch eine seitliche Panzerung der stark beanspruchten Seitenwände desselben.
Es ist häufig erwünscht, an einem Schaft hochbeanspruchbare Aussenteile sicher anzubinden, wobei die Beanspruchung dieser Aussenteile wesentlich an deren Randbereichen stattfindet. Typisch sind dafür belastete Transportrollen mit Rollachsen, Zahnräder, Ventilteller, Flügelräder, Tellerräder, Kegelräder etc., die höhere Beanspruchungen standhalten müssen, als das Schaftmaterial. Sei es aufgrund des Mediums, in dem diese arbeiten (bspw. Flügel von Mischmaschinen oder Förderern) oder aber aufgrund der mechanischen Beanspruchung, wie bei Zahnkränzen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und sichere Verbindung von zwei Metallteilen zu schaffen, von denen eines ein Aussenteil und das andere ein daran befestigter stangenartiger Schaft ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst sowie durch ein danach hergestelltes Teil. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das verbundene Metallteil ist herstellbar durch: Reibschweißen des stangenartigen Teils auf/in der Bohrung des gelochten Aussenteils, wobei die Längsachse des stangenartigen Teils mit der Zentralachse der runden Öffnung fluchtet, unter Durchdringen eines Vorderabschnitts der Stange durch die runde Öffnung unter Herstellung eines Schweißwulstes an dem Ort, an dem das stangenartige Teil auf dem Aufnahmeteil mit einer runden Öffnung aufliegt; und Schmieden der reibgeschweißten Metallanordnung unter Ausformen der Aussenkontur des Aussenteils. Ggf. fliesst material des Aussenteils rechtwinkelig zur Längsachse des stangenartigen Schafts unter Herstellung eines umgeformten Aussenteils. Beim Schmieden tritt noch dazu die vorteilhafte Kaltverfestigung des Aussenteilmaterials auf. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dadurch, dass die beiden zu verbindenden Metallteile durch Reibschweißen und mechanisch durch das gemeinsame Umformen, wie Schmieden, miteinander verbunden werden, kann einfach ein Aussenteil mit zentrisch daran angebrachtem Schaft erzielt werden. Da für das Aussenteil nur das im Aussenbereich benötigte Material im hohlen Rohling vorgelegt wird, kann gegenüber dem Stand der Technik, welcher ganzflächige Aussenteile an einem Schaft aus meist weniger aufwendigem Material befestigen musste, eine erhebliche Materialersparnis erzielt werden, denn das Schaftmaterial ersetzt Material im Aussenteil. Ferner ist es möglich, weniger Material einzusetzen, weil der kritische Bereich hohen Umformgrads beim Übergang von Stange zu Aussenteil nicht geschmiedet werden muss. Es können dadurch bei komplexeren Teilen, wie Kegelrädern, Matertalersparnisse um 25% erzielt werden – je nach Teil fällt diese Ersparnis unterschiedlich aus.
Zum erfolgreichen Verbinden kann bspw. ein Schmiedehub die Verbindung zwischen den beiden reibgeschweissten Metallteilen verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste zu verbindende Metallteil ein Flügelradrohling mit Bohrung und das zweite zu verbindende Metallteil ein Schaftrohling.
Es kann so aber auch ein Tellerventil für Motoren oder aber Flügelräder für Verdichterpumpen, Hubkolbenpumpen hergestellt werden.
Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität eines gebauten Metallbauteils zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches Metallbauteil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff des ersten und des zweiten Metallteils in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise das Aussenmetallteil eine feste bzw. auch eine hoch feste Legierung wie Hochtemperaturstahl (Definition für hochfeste Legierung: s. "Stahlschlüssel" 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007); eine Titanlegierung; eine Aluminiumlegierung, eine Edelstahllegierung oder sonstiges Metall eingesetzt werden und und für das zweite Metallteil ein minderwertiger/weicherer oder preiswerteres Metall – bspw. auch mit selbstschmierenden Eigenschaften. Es versteht sich, daß sich die Werkstofflegierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von Ausgangsteilen verwendbar sind.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines reibgeschweißten Metallteils unter Bezugnahme auf die dazugehörige Zeichnung näher erläutert, auf die sie keineswegs eingeschränkt ist. Es zeigen:
1 den Beginn des Schweissverfahrens, wobei die beiden zu verbindenden Teile vor dem Verbindungsvorgang miteinander ausgerichtet sind; und
2 das Reibschweißen des stangenartigen Schaftteils mit dem Aussenteil;
3 ein mit einem ersten Schmiedehub umgeformtes Ventilteil der 2; und
4 ein fertig umgeformtes Teil, bei dem aufgrund der Schmiede-Kaltverfestigung eine Panzerung der Aussenbereiche erfolgt ist.
5a die Herstellung eines Kegelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren; 5b die erfindungsgemässe Herstellung eines Kegelrades mit Hinterschneidung
6 die Herstellung eines Flügelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren
7 die Herstellung eines Tellerrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren
1–4 zeigen die Herstellung eines gepanzerten Tellerventils nach dem erfindungsgemässen Verfahren. 1 zeigt die beiden Ausgangsteile – das Aussenteil 1 mit der Bohrung 5 und das stangenartige Teil 2, das einen etwas größeren Außendurchmesser als die lichte Weite der Bohrung 5 besitzt. Das stangenartige Teil 2 wird nun auf die Bohrung 5 des gelochten Aufnahmeteils 1 ausgerichtet, wobei die Längsachse des stangenartigen Teils 2 mit der Zentralachse der runden Öffnung 5 fluchtet, und unter Durchdringen des Vorderabschnitts der Stange 2 durch die runde Öffnung 5 unter Ausbildung einer konischen Schweissfläche im Aussenteil und unter Herstellung eines Schweißwulstes 4 an dem Ort, an dem das stangenartige Teil 2 auf dem Aufnahmeteil mit einer runden Öffnung 5 aufliegt, reibgeschweißt. Der Reibschweißbereich 8 bildet sich in der Bohrung 5 und ein Reibschweißwulst 4 entsteht auf der Aufnahmeteiloberfläche beim Eintritt des stangenartigen Teils 2. Das Reibschweißen wird nun so lange durchgeführt, bis das Ende des stangenartigen Teils 2 die Bohrung 5 durchsetzt hat und mit der Aussenfläche des Aussenteils 1 fluchtet.
Nun wird die so reibgeschweißte Metallanordnung durch Umformen des so befestigten Aussenteils nach dem Reibschweißen geformt, wodurch dann eine endgültige, auch formschlüssige Verbindung zwischen beiden Teilen erzielt wird.
Auf diese Art und Weise wird eine gesicherte Reibschweißverbindung zwischen zwei Teilen unter Ersparnis an Aussenteilmaterial hergestellt.
Ein typisches stangenartiges Teil 2 ist aus einer Eisenlegierung. Ein geeignetes Aufnahmeteil 1 ist bspw. aus einer hochlegierten Stahl, wie Nimonic oder einer sonstigen Edelstahllegierung.
In 5 ist die Herstellung eines Kegelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren gezeigt – deutlich ist ersichtlich, wie der Schaftrohling 2 zentriert in eine konisch verlaufende Öffnung des Kegelrades 1 reibgeschweisst wird und so eine hinterschnittene Form des Kegelanschlusses erzielt werden kann mit der Folge einer entsprechenden Material- und Gewichtsersparnis. Es ist auch möglich, hohles Schaftmaterial reibzuschweissen, wodurch weitere Materialersparnis erfolgen kann.
6 zeigt die Herstellung eines Flügelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren, wobei ein Flügelradrohling mit einer zentrischen geraden Bohrung mit einem Schaftrohling unter Herstellung einer konvex zulaufenden Reibschweissfläche verbunden wird.
7 zeigt die Herstellung eines Tellerrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren, wobei das hohle Schaftmaterial mit dem Tellerradrohling reibverschweisst und dann umgeformt wird.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, sind für den Fachmann, an den sich die Erfindung wendet, verschiedenste alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung ersichtlich, wie von den beigefügten Ansprüchen definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3205183 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

s. ”Stahlschlüssel” 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und mindestens einem daran befestigten Aussenteil grösseren Durchmessers als der Schaft und anderer Eigenschaften als der Schaft, gekennzeichnet durch: Vorlegen eines Rohlings für das Aussenteil (1) mit einer runden Öffnung (5); Vorlegen eines stangenartigen Schaftrohlings (2) mit einem Endabschnitt (6), dessen Durchmesser grösser als die lichten Weite der runden Öffnung (5) entspricht und zu dieser zentriert angeordnet wird; Reibschweißen des Endabschnitts (6) des stangenartigen Schaftrohlings (2) mit dem Aussenteilrohling (1) unter Ausbildung eines Schweißwulstes (4) unter Eindringen des Endabschnitts (6) in die Öffnung (5) und Erweiterung derselben durch das Reibschweissen, bis zum Auftreffen des Endabschnitts am Ende der runden Öffnung (5) unter Ausbildung eines angeschweissten Aussenteils am Aussenteil (1), wobei die Schweissnaht im Aussenteil konisch verläuft und dieses den Schaftrohling umgibt; Umformen des so hergestellten Rohlings unter Herstellung einer Aussenteilkontur durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Schmieden, Stauchen, Elektrostauchen, Fliesspressen – alle genannten Verfahren im kalten oder halbwarmen oder warmen Temperaturbereich.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (1) ein mechanisch belastbareres Metall als der Schaftrohling (2) aufweist
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (1) ein chemisch widerstandsfähigeres Metall als der Schaftrohling (2) aufweist.
Reibgeschweisstes Metallteil mit mindestens einem Aussenteil (1) und einem darin festgeschweissten Schaft (2), wobei das Aussenteil (1) eine konisch zulaufende Befestigungsfläche mit dem Schaft (2) besitzt und der Schaft an der Bodenfläche des Aussenteils (1) freiliegt bzw. bündig damit abschliesst.
Reibgeschweisstes Metallteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgewählt ist aus an einem Schaft befestigten Zahnrädern, Rollen, Flügelrad, Tellerventilen, Kegelrädern, Tellerrädern; Flügelrädern.