DE102015212868A1

DE102015212868A1 - Innendruckbelastetes Bauteil

Info

Publication number: DE102015212868A1
Application number: DE102015212868.7A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Raedt Hans-Willi; Gordon Triesch; Clemens HUTTERER
Original assignee: Hirschvogel Umformtechnik GmbH
Current assignee: Hirschvogel Umformtechnik GmbH
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-12
Also published as: CN106337768B; US20170009719A1; US9874184B2; CN106337768A

Abstract

Innendruckbelastetes Bauteil 10 umfassend: einen Grundkörper 11 mit zumindest einem Hohlraum 12; zumindest eine Abzweigung 15 mit einer Bohrung 16, die durch die Abzweigung 15 in den Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 verläuft; zumindest ein separates Einsatzelement 20, das zumindest teilweise in der Bohrung 16 der Abzweigung 12 reibschlüssig angeordnet ist; wobei das Bauteil 10 zumindest im Bereich der Bohrung 16, an dem das separate Einsatzelement 20 angeordnet ist, mittels einer Autofrettagebehandlung als verfestigter Wandungsbereich ausgebildet ist, und wobei das separate Einsatzelement 20 mit einem Übermaß in der Bohrung 16 angeordnet ist.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein innendruckbelastetes Bauteil, insbesondere ein Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen innendruckbelasteten Bauteils.
2. Hintergrund
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von innendruckbelasteten Bauteilen bekannt, insbesondere für Einspritzkomponenten eines Kraftfahrzeugs. Derartige Bauteile können dabei Druckbelastungen von mehreren 100 MPa ausgesetzt sein, wobei diese je nach Anwendung auch als für das Bauteil besonders kritische Druck-Schwellbelastung auftreten kann.
Zur Erhöhung der Druckfestigkeit solcher Bauteile ist es im Stand der Technik bekannt, derartige Bauteile einer sogenannten Autofrettagebehandlung zu unterziehen, mit der eine erhebliche Festigkeitssteigerung der Bauteile bzw. einzelner Wandungsabschnitte bereitgestellt werden kann. Hierbei wird das Bauteil einem Innendruck ausgesetzt, der über einem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze des Materials liegt und zwar derart, dass Bereiche an der Innenwand des Bauteils plastifizieren, wohingegen Bereiche an der Außenwand elastisch verbleiben. Durch den plastifizierten Innenbereich wird der elastisch verformte Außenbereich daran gehindert, wieder vollständig in seine Ausgangsposition zurück zu verformen, so dass der Außenbereich gedehnt bleibt und dadurch eine Druckeigenspannung im Innenbereich erzeugt wird, die der Betriebslast entgegenwirkt. Im Ergebnis kann durch eine Autofrettagebehandlung die Druckfestigkeit eines Bauteils erheblich erhöht werden. Die bekannten Verfahren zur Autofrettagebehandlung stoßen allerdings immer mehr an ihre Grenzen, insbesondere hinsichtlich der für die Autofrettagebehandlung notwendigen sehr hohen Autofrettagedrücke und hinsichtlich der Materialfestigkeit des Bauteils selbst.
Weiterhin ist es im Stand der Technik bekannt, separate Einsätze als sogenannte Druckschwingungsdämpfer innerhalb eines innendruckbelasteten Bauteils reibschlüssig anzuordnen. Diese separaten Einsätze umfassen dabei einen reduzierten Querschnittsbereich, beispielsweise in Form einer durch den Einsatz verlaufenden Bohrung. Derartige separate Einsätze eignen sich allerdings nicht bzw. nicht in ausreichendem Maße zur Erhöhung der Druckfestigkeit eines Bauteils, da die reibschlüssige Verbindung von separaten Einsatz und dem Bauteil den hohen Druckbelastung nicht bzw. nicht ausreichend standhält.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein innendruckbelastetes Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben, das eine verbesserte Druckbeständigkeit aufweist, insbesondere an Abzweigungen oder Knickstellen und dergleichen.
Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
3. Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Eine erfindungsgemäßes innendruckbelastetes Bauteil umfasst zumindest: einen Grundkörper mit zumindest einem Hohlraum; zumindest eine Abzweigung mit einer Bohrung, die durch die Abzweigung in den Hohlraum des Grundkörpers verläuft; zumindest ein separates Einsatzelement, das zumindest teilweise in der Bohrung der Abzweigung reibschlüssig angeordnet ist; wobei das Bauteil zumindest im Bereich der Bohrung, an dem das separate Einsatzelement angeordnet ist, mittels einer Autofrettagebehandlung als verfestigter Wandungsbereich ausgebildet ist, und wobei das separate Einsatzelement mit einem Übermaß in der Bohrung angeordnet ist.
Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Autofrettagebehandlung des Bauteils nicht, wie im Stand der Technik bisher üblich, unmittelbar zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Bauteils einzusetzen, sondern um ein separates Einsatzelement mit einem möglichst großen Übermaß reibschlüssig im Bauteil anordnen zu können. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass auch durch das separate Einsatzelement sehr hohe Druckbelastungen aufgenommen werden können, da die reibschlüssige Verbindung zwischen separatem Einsatzelement und Bauteil aufgrund des nunmehr möglichen großen Übermaßes hohen Druckbelastungen standhalten kann. Der separate Einsatz kann dabei gezielt in den Bereichen vorgesehen werden, an denen sich die Bohrungen des Bauteils schneiden. Der separate Einsatz, der vorzugsweise aus einem hochfesten Material hergestellt ist, kann somit in den kritischsten Bereichen des Bauteils vorgesehen werden und dort die Druckfestigkeit des Bauteils erhöhen. Nachdem es sich bei derartigen Einsätzen grundsätzlich um geometrisch einfache Bauteile handelt, ist deren Herstellung darüber hinaus ebenfalls einfach möglich.
Vorzugsweise ist das separate Einsatzelement mit einem Übermaß zwischen 5 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 15 µm und 30 µm, und weiterhin besonders bevorzugt von etwa 20 µm in der Bohrung der Abzweigung angeordnet ist. Dabei ist es bevorzugt, dass das separate Einsatzelement einen zur Bohrung korrespondierenden kreisförmigen Querschnitt aufweist und einen Außendurchmesser zwischen 2 mm und 18 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 14 mm und besonders bevorzugt von etwa 6 mm aufweist.
Vorteilhafterweise weist das separate Einsatzelement zumindest einen Bereich mit einem reduzierten Querschnitt auf. Ein solcher reduzierter Querschnitt kann beispielsweise durch einen entsprechenden Abschnitt mit einer (Drossel-)Bohrung bereitgestellt werden. Dadurch kann das separate Einsatzelement in besonders vorteilhafter Weise auch als Drosselelement (als sogenannter Druckschwingungsdämpfer) eingesetzt werden, beispielsweise in einem Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs.
Vorzugsweise ist das separate Einsatzelement aus einem höherfesten Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von > 1200 MPa und das Bauteil aus einem höherfesten Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von > 900 MPa hergestellt.
Vorteilhafterweise ist der Hohlraum des Grundkörpers ein länglicher Hohlraum und weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass das Bauteil mehrere Abzweigungen mit korrespondierenden Bohrungen aufweist.
Besonders bevorzugt sind dabei alle Bereiche des Bauteils mittels einer Autofrettagebehandlung (vorzugsweise über alle Hohlräume) als verfestigte Wandungsbereiche ausgebildet.
Vorzugsweise ist das innendruckbelastete Bauteil ein Teil eines Kraftstoffhochdruckspeichers für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Diesel-Common-Rails oder eines Benzin-Common-Rails, einer Pumpe oder einer Hydraulikanlage eines Kraftfahrzeugs. Ferner kann die vorliegende Erfindung insbesondere auch in einem Spaltfilter in einer Einspritzdüse eingesetzt werden. Gerade in diesen Anwendungen können sehr hohe Druckbelastungen bzw. Druck-Schwellbelastungen auftreten, so dass ein Einsatz der vorliegenden Erfindung in diesen Anwendungen besonders vorteilhaft ist. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungsbeispiele beschränkt, sondern kann grundsätzlich in allen Komponenten mit Abzweigungen, verschneidenden Bohrungen oder dergleichen eingesetzt werden, in denen hohe oder schwellende Druckbelastungen auftreten können.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen innendruckbelasteten Bauteils, umfassend zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Bauteils (das vorzugsweise mittels eines Gieß- oder ein Schmiedeverfahren hergestellt wurde) mit einem Grundkörper, der zumindest einen Hohlraum aufweist, wobei am Grundkörper zumindest eine Abzweigung mit einer Bohrung vorgesehen ist, die durch die Abzweigung in den Hohlraum des Grundkörpers verläuft; Ausbilden zumindest eines verfestigten Wandungsbereichs im Bereich der Bohrung durch eine Autofrettagebehandlung; reibschlüssiges Anordnen eines separaten Einsatzelements in der Bohrung der Abzweigung derart, dass das Einsatzelement zumindest teilweise in der Bohrung im Bereich des verfestigen Wandungsbereichs angeordnet ist, wobei das separate Einsatzelement mit einem Übermaß in der Bohrung angeordnet wird.
Vorzugsweise wird für die Autofrettagebehandlung ein Druck zwischen 2000 und 16000 Bar eingesetzt.
4. Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der
1 angegeben, die eine schematische (Teil-)Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines innendruckbelasteten Bauteils, in Form eines Kraftstoffhochdruckspeichers für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, zeigt.
1 zeigt eine schematische (Teil-)Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines innendruckbelasteten Bauteils 10, in Form eines Kraftstoffhochdruckspeichers für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs.
Wie in 1 gut zu erkennen ist, weist das Bauteil 10 einen länglichen Grundkörper 11 mit einem länglichen Hohlraum 12 auf. Der längliche Hohlraum 12 ist bevorzugt mit einer (Kraftstoff-)Pumpe fluidtechnisch verbunden. Der längliche Hohlraum 12 weist vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 5 und 35 mm auf.
Am länglichen Grundkörper 11 ist zumindest eine Abzweigung 15 angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform des Bauteils 10 als Kraftstoffhochdruckspeicher können an der Abzweigung 15 bzw. an Abzweigungen 15 entsprechende Einspritzsysteme (nicht gezeigt) des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Bauteil 10 im Wesentlichen als integrales Bauteil ausgebildet.
In der Abzweigung 15 ist zumindest eine (durchgehende) Bohrung 16 vorgesehen, die (vorzugsweise lotrecht oder auch in einer anderen, insbesondere schrägen Ausrichtung zueinander) in den Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 reicht. In der Bohrung 16 ist zumindest ein separates Einsatzelement 20 angeordnet. Wie in 1 ebenfalls gut zu erkennen ist, reicht das separate Einsatzelement 20 in der Bohrung 16 bis zum Hohlraum 12 des Grundkörpers 11, wobei das separate Einsatzelement 20 vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass dieses bündig mit dem Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 abschließt. Auch andere Ausprägungen sind hier denkbar. So kann die dem Hohlraum 12 zugeordnete Fläche des separaten Einsatzelements 20 bspw. auch bezüglich des Hohlraums 12 plan hervorstehend oder plan zurückgesetzt vorgesehen sein oder in anderen Geometriekonstellationen ausgeprägt sein.
Das separate Einsatzelement 20 weist darüber hinaus eine (Drossel-)Bohrung 21 auf. Das separate Einsatzelement 20 kann dabei als Vollkörper ausgebildet sein, so dass die Bohrung 21 vollständig durch das separate Einsatzelement 20 verläuft (nicht gezeigt) oder, wie in 1 gezeigt, kann nur ein begrenzter Bereich des separaten Einsatzelements 20 mit einem reduzierten Querschnitt ausgebildet sein, so dass die Bohrung 21 nur durch diesen Bereich verläuft.
Wie der 1 zu entnehmen ist, kann das separate Einsatzelement 20 einen sich an die Bohrung 21 anschließenden erweiterten Bereich 22 größeren Querschnitts (im Vergleich zur (Drossel-)Bohrung 21) aufweisen. Die Bohrung 21 und der erweiterte Bereich 22 sind dabei vorzugsweise über eine Stufe 23 miteinander verbunden. Der erweiterte Bereich 22 kann das Einsetzen bzw. Einpressen erleichtern, indem das separate Einsatzelement 20 mit dem erweiterten Bereich 22 auf ein entsprechendes Werkzeug aufgesetzt wird. Beim Einsetzen des separaten Einsatzelements 20 in die Bohrung 16 stützt sich das Werkzeug dann an der Stufe 23 ab, was das Einsetzen erleichtert. Der erweiterte Bereich 22 ist bzgl. der (Drossel-)Bohrung 21 vorzugsweise von dem Hohlraum 12 abgewandt vorgesehen und besonders vorzugsweise koaxial zur Bohrung 21 ausgerichtet.
In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist das gesamte Bauteil 10 mittels einer Autofrettagebehandlung verfestigt worden, d.h. nicht nur der Bereich an dem das separate Einsatzelement 20 in der Bohrung 16 angeordnet ist. Durch die Autofrettagebehandlung besteht nunmehr die Möglichkeit, das separate Einsatzelement 20 mit einem vergleichsweise großen Übermaß (in der gezeigten Ausführungsform etwa 20 µm) in der Bohrung 16 reibschlüssig anzuordnen, so dass die reibschlüssige Verbindung zwischen separatem Einsatzelement 20 und dem Bauteil 10 sehr hohen Druckbelastungen sicher standhalten kann.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten innendruckbelasteten Bauteils 10 erläutert:
In einem ersten Schritt wird ein Bauteil (das vorzugsweise mittels eines Gieß- oder Schmiedeverfahrens hergestellt wurde) mit einem Grundkörper 11 und zumindest einer Abzweigung 15 bereitgestellt. Der Grundkörper 11 umfasst dabei zumindest einen Hohlraum 12 und die Abzweigung 15 zumindest eine Bohrung 16, die durch die Abzweigung 15 in den Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 verläuft.
In einem weiteren Schritt erfolgt durch eine Autofrettagebehandlung eine Verfestigung zumindest des Wandungsbereichs im Bereich der Bohrung 16.
Schließlich wird das separate Einsatzelement 20 reibschlüssig (zumindest teilweise) in der Bohrung 16 der Abzweigung 15 angeordnet, wobei das separate Einsatzelement 20 mit einem Übermaß von etwa 20 µm in der Bohrung 16 der Abzweigung 15 angeordnet ist. Das separate Einsatzelement 20 wird dabei vorzugsweise soweit in die Bohrung 16 hineingeschoben, dass dieses bündig mit dem Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 verläuft.
Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf das vorhergehende bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Anwendungen beschränkt, sondern kann grundsätzlich in allen Komponenten/Bauteilen mit Abzweigungen, verschneidenden Bohrungen oder dergleichen eingesetzt werden, in denen hohe oder schwellende Druckbelastungen auftreten können.

Claims

Innendruckbelastetes Bauteil (10) umfassend: – einen Grundkörper (11) mit zumindest einem Hohlraum (12); – zumindest eine Abzweigung (15) mit einer Bohrung (16), die durch die Abzweigung (15) in den Hohlraum (12) des Grundkörpers (11) verläuft; – zumindest ein separates Einsatzelement (20), das zumindest teilweise in der Bohrung (16) der Abzweigung (12) reibschlüssig angeordnet ist; wobei – das Bauteil (10) zumindest im Bereich der Bohrung (16), an dem das separate Einsatzelement (20) angeordnet ist, mittels einer Autofrettagebehandlung als verfestigter Wandungsbereich ausgebildet ist, und wobei das separate Einsatzelement (20) mit einem Übermaß in der Bohrung (16) angeordnet ist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach Anspruch 1, wobei das separate Einsatzelement (20) in der Bohrung (16) bis zum Hohlraum (12) des Grundkörpers (11) reicht, wobei das separate Einsatzelement (20) vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass es bündig mit dem Hohlraum (12) des Grundkörpers (11) abschließt.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das separate Einsatzelement (20) mit einem Übermaß zwischen 5 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 15 µm und 30 µm, und weiterhin besonders bevorzugt von etwa 20 µm in der Bohrung (16) angeordnet ist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das separate Einsatzelement (20) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und einen Außendurchmesser zwischen 2 mm und 18 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 14 mm und besonders bevorzugt von etwa 6 mm aufweist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das separate Einsatzelement (20) zumindest einen Bereich mit einem reduzierten Querschnitt (21) aufweist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das separate Einsatzelement (20) aus einem höherfesten Material vorzugsweise mit einer Zugfestigkeit von > 1200 MPa hergestellt ist.
Innendruckbelastetes Bauteil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (12) des Grundkörpers (11) ein länglicher Hohlraum ist und vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) mehrere Abzweigungen (15) aufweist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) aus einem zugspannungsresistenteren Material hergestellt ist.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Bereiche des Bauteils mittels einer Autofrettagebehandlung als verfestigte Wandungsbereiche ausgebildet sind.
Innendruckbelastetes Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) ein Teil eines Kraftstoffhochdruckspeichers für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Diesel-Common-Rails oder eines Benzin-Common-Rails, einer Pumpe oder einer Hydraulikanlage eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren zur Herstellung eines innendruckbelasteten Bauteils (10), umfassend zumindest die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Bauteils mit einem Grundkörper (11), der zumindest einen Hohlraum (12) aufweist, wobei am Grundkörper (11) zumindest eine Abzweigung (15) mit einer Bohrung (16) vorgesehen ist, die durch die Abzweigung (15) in den Hohlraum (12) des Grundkörpers (11) verläuft; – Ausbilden zumindest eines verfestigten Wandungsbereichs im Bereich der Bohrung (16) durch eine Autofrettagebehandlung; – reibschlüssiges Anordnen eines separaten Einsatzelements (20) in der Bohrung (16) der Abzweigung (15) derart, dass das separate Einsatzelement (20) zumindest teilweise in der Bohrung (16) im Bereich des verfestigen Wandungsbereichs angeordnet ist, wobei das separate Einsatzelement (20) mit einem Übermaß in der Bohrung (16) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das separate Einsatzelement (20) mit einem Übermaß zwischen 5 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 15 µm und 30 µm, und weiterhin besonders bevorzugt von etwa 20 µm in der Bohrung (16) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei für die Autofrettagebehandlung ein Druck zwischen 2000 und 16000 Bar verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das separate Einsatzelement (20) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und einen Außendurchmesser zwischen 2 mm und 18 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 14 mm und besonders bevorzugt von etwa 6 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das bereitgestellte Bauteil durch ein Gieß- oder ein Schmiedeverfahren hergestellt wird.