DE112015006449B4

DE112015006449B4 - Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes

Info

Publication number: DE112015006449B4
Application number: DE112015006449.4T
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Matsuyama; Masaharu Amano; Yoshitaka Shibata
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: KR20170125100A; JP6553717B2; JPWO2016166843A1; DE112015006449T5; CN107427956A; US20180056438A1; KR101965735B1; US10618130B2; WO2016166843A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1), das die folgenden Schritte umfasst:Fertigen eines aus einem ersten Metall bestehenden ersten Elementes (10) und eines zweiten Elementes (20), das aus einem zweiten Metall besteht, wobei das zweite Metall einen kleineren Verformungswiderstand aufweist als das erste Metall; sowie Verbinden des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20),wobei der Schritt des Verbindens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) die folgenden Schritte einschließt:Erhitzen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) durch relatives Drehen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) in Bezug zueinander um eine Drehachse (α) herum bei gleichzeitigem Pressen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) aneinander ohne Änderung einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem ersten Element (10) und dem zweiten Element (20), sowieAbkühlen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20), die erhitzt wurden, wobei die Elemente (10, 20) aneinandergepresst werden,wobei das erste Element (10) eine Fläche (11) hat, die als eine erste Kontaktfläche dient, die in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) in Kontakt mit dem zweiten Element (20) kommt, und in der ersten Kontaktfläche eine Vertiefung (19) so ausgebildet ist, dass die Vertiefung (19) einen Bereich beinhaltet, der die Drehachse (α) kreuzt, und wobei erhitztes und erweichtes Metalls des zweiten Elementes (20) in die Vertiefung (19) hineinfließt,dadurch gekennzeichnet, dassin dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) in einem Hohlraum (93A) einer Form (93) angeordnet ist, wobei die Kombination aus erstem Metall und zweiten Metall eine Kombination ausgewählt aus einer der folgenden Kombinationen ist: Stahl und Messing, Stahl und Aluminiumlegierung, Stahl und Legierung auf Basis von Nickel, Sinterhartmetall und Stahl.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Metallelementen und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente verbunden sind.
Technischer Hintergrund
Ein Metallelement, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente aneinander befestigt sind, kann als ein Maschinenbauteil eingesetzt werden. Beispielsweise ist ein Kolbenschuh einer Hydraulikpumpe oder eines Hydraulikmotors bekannt, der einen aus Stahl bestehenden Träger-Teilabschnitt hat, an dem ein aus Kupferlegierung bestehender Gleit-Teilabschnitt befestigt ist. Als ein Kolbenschuh dieses Typs kann ein Kolbenschuh eingesetzt werden, bei dem der Gleit-Teilabschnitt mittels Verstemmen an dem Träger-Teilabschnitt befestigt wird.
Zum Befestigen des Gleit-Teilabschnitts an dem Träger-Teilabschnitt mittels Verstemmen muss der Gleit-Teilabschnitt auf eine vorgegebene Form bearbeitet werden, die das Verstemmen ermöglicht, bevor er an dem Träger-Teilabschnitt angebracht wird. Dadurch erhöhen sich die Herstellungskosten für das gleitende Bauteil aufgrund des für das Bearbeiten des Gleit-Teilabschnitts erforderlichen Aufwandes. Darüber hinaus ist ein Kolbenschuh vorgeschlagen worden, bei dem der Gleit-Teilabschnitt an dem Träger-Teilabschnitt befestigt wird, indem der Gleit-Teilabschnitt so an den Träger-Teilabschnitt gepresst wird, dass der Gleit-Teilabschnitt verformt und dadurch mit dem Träger-Teilabschnitt in Eingriff gebracht wird (siehe beispielsweise JP H10-89241 A ).
Aus JP 2000-301364 A ist ein Rotationsreibschweißverfahren für ungleiche metallische Werkstoffe bekannt, wobei ein konkaver Abschnitt am Ende eines Körpers eines härteren Metalls und ein konvexer Abschnitt am Ende eines Körpers eines weicheren Metalls ausgebildet sind. Die beiden Körper werden unter Druck aneinandergestoßen, sodass der Boden des konkaven Abschnitts und der Kopf des konvexen Abschnitts in Kontakt miteinander kommen, und werden dann einer relativen Drehbewegung unterworfen.
Aus CN 1 334 168 A1 geht ebenfalls Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Elementen aus ungleichen Metallmaterialien hervor, wobei in einem Vorbereitungsprozess eine Endfläche eines Elements aus härterem Metallmaterial mit einer oder mehreren Ringnuten versehen wird. Anschließend wird ein Reibschweißvorgang ausgeführt, sodass ein weicheres Metallmaterial eines zweiten Elements in die eine oder mehreren Ringnuten auf der Seite des Elements aus härterem Metallmaterial gepresst wird.
Gemäß US 3 596 571 A wird ein Kolbenkörper in der Mitte seiner oberen Fläche mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung versehen, und ein Einsatz wird in dieser Ausnehmung durch ein Reibschweißverfahren eingeschweißt. Ein Hohlraum ist in der und um die Rotationsachse (wo keine Relativbewegung vorliegt) vorgesehen, der dazu dient, das ausfließende Metall von der Schweißstelle aufzunehmen. Der Einsatz kann aus hitzebeständigem Material bestehen, z.B. aus einer Aluminium-Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, gesintertem Aluminium, einer Nickellegierung, einer Kupferlegierung oder aus Stahl.
JP S58-70989 A lehrt ein Verfahren zum stumpfen Verbinden eines ersten Elements und eines zweiten Elements mit ähnlichen Schmelzpunkten auf den jeweiligen aneinanderstoßenden Verbindungsflächen. In diesem bekannten Verfahren ist vorgesehen, dass ein Rohr eines Verbindungselements mit niedrigerem Schmelzpunkt als die beiden Elemente um den Umfang der Stoßverbindung herum angeordnet ist und die Grate, die während des Reibschweißens durch die relative Drehung der beiden Elemente mit höherem Schmelzpunkt erzeugt werden, in das Verbindungselement mit niedrigerem Schmelzpunkt eindringen, um die beiden Elemente miteinander zu verbinden.
In US 5 154 340 A wird beschrieben, ein Reibschweißverfahren zum Eindichten von Endkappen in zylindrische Behälterwände zur Aufnahme von Uran einzusetzen. Hier ist vorgesehen, dass ein Kanal so dimensioniert ist, dass er den beim Reibschweißen erzeugten Grat aufnimmt, wobei Mittel in der Endkappe und/oder dem Kanal ausgebildet sind, um während des Reibschweißens den Grat in den Kanal zu leiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem Aufbau des in JP H10-89241 A beschriebenen Kolbenschuhs wird der Gleit-Teilabschnitt lediglich mittels Eingriff an dem Träger-Teilabschnitt befestigt. Wenn der Kolbenschuh einen Stoß erhält, kann der Zustand der Befestigung des Gleit-Teilabschnitts an dem Träger-Teilabschnitt instabil werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes zu schaffen, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt miteinander verbunden sind.
Lösung des Problems
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 10.
Im Einzelnen umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte des Fertigens eines aus einem ersten Metall bestehenden ersten Elementes und eines zweiten Elementes, das aus einem zweiten Metall besteht, wobei das zweite Metall einen kleineren Verformungswiderstand aufweist als das erste Metall, sowie des Verbindens des ersten Elementes und des zweiten Elementes. Der Schritt des Verbindens des ersten Elementes und des zweiten Elementes schließt einen Schritt ein, in dem das erste Element und das zweite Element erhitzt werden, indem das erste Element und das zweite Element in Bezug zueinander relativ um eine Drehachse herum gedreht werden, wobei das erste Element und das zweite Element gleichzeitig aneinandergepresst werden, ohne eine relative Positionsbeziehung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element zu ändern, sowie einen Schritt, in dem das erste Element und das zweite Element, die erhitzt wurden, abgekühlt werden, wobei die Elemente aneinandergepresst werden. Das erste Element hat eine Fläche, die als eine erste Kontaktfläche dient, die in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes in Kontakt mit dem zweiten Element kommt, und in der ersten Kontaktfläche ist eine Vertiefung so ausgebildet, dass die Vertiefung einen Bereich beinhaltet, der die Drehachse kreuzt, wo- bei erhitztes und erweichtes Metalls des zweiten Elementes von außerhalb der Vertiefung in die Vertiefung hineinfließt. In dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes ist das zweite Element in einem Hohlraum einer Form angeord- net. Die Kombination aus erstem Metall und zweitem Metall eine Kombination ausgewählt aus Tabelle 1 ist.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung werden das erste Element und das zweite Element in Bezug zueinander relativ um die Drehachse herum gedreht, wobei sie gleichzeitig aneinandergepresst werden, ohne die relative Positionsbeziehung zwischen ihnen zu ändern, so dass das erste Element und das zweite Element erhitzt werden. Anschließend werden das erste Element und das zweite Element in dem Zustand abgekühlt, in dem sie aneinandergepresst werden, so dass das erste Element und das zweite Element verbunden werden.
Bei dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes nimmt die Umfangsgeschwindigkeit des ersten Elementes in Bezug auf das zweite Element mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse ab. Die durch Reibung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erzeugte Wärme nimmt mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse ab. So reicht möglicherweise, selbst wenn die Temperatur in dem Außenumfangsabschnitt auf eine Stufe erhöht worden ist, die zum Verbinden geeignet ist, die Zunahme der Temperatur in dem Mittelabschnitt nicht aus, wodurch Herstellung guter Verbindung behindert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Vertiefung in der ersten Kontaktfläche des ersten Elementes ausgebildet. So fließt das erhitzte und erweichte zweite Element in die Vertiefung hinein. Wenn das erhitzte zweite Element in die Vertiefung eintritt, wird die Wärme dem Mittelabschnitt (Bereich, der die Drehachse einschließt) zugeführt. Damit wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt verringert. Dadurch wird leicht gute Verbindung über die gesamten Verbindungsflächen erzielt.
Mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung ist es damit möglich, das Metallelement herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt miteinander verbunden sind.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird das zweite Element in dem Hohlraum der Form so verformt, dass es mit den Wandflächen in Kontakt kommt, die den Hohlraum begrenzen. Dadurch wird Drehung des zweiten Elementes zusammen mit dem ersten Element eingeschränkt und wird auch weitere Verformung eingeschränkt. So wird verhindert, dass die durch die Reibung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erzeugte Wärme aus dem Inneren des Hohlraums freigesetzt wird. Dadurch kann der Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes effizient durchgeführt werden.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann die Form eine Hohlraum-Bodenwand, die den Hohlraum begrenzt, sowie eine Hohlraum-Seitenwand enthalten, die den Hohlraum begrenzt und sich in einer Richtung erstreckt, die die Hohlraum-Bodenwand kreuzt. Dies ermöglicht leichte Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Metallelementes.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes eine zweite Kontaktfläche, die eine Fläche des zweiten Elementes ist, die in Kontakt mit dem ersten Element kommt, von der Hohlraum-Seitenwand umschlossen sein. Mit dieser Konstruktion kann die Verformung des zweiten Elementes durch die Hohlraum-Seitenwand eingeschränkt werden.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes das erste Element gedreht werden, während die Form stationär ist. Dies ermöglicht leichte Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Metallelementes.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem ersten Element ein vertiefter Abschnitt ausgebildet sein. Die Vertiefung kann in dem vertieften Abschnitt ausgebildet sein. In dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes kann das zweite Element in einem Zustand, in dem es wenigstens teilweise in dem vertieften Abschnitt aufgenommen ist, relativ in Bezug auf das erste Element gedreht werden, wobei es gleichzeitig relativ an das erste Element gepresst wird, um das erste Element und das zweite Element zu erhitzen.
Mit dieser Konstruktion wird das zweite Element in dem vertieften Abschnitt des ersten Elementes so verformt, dass es mit den Wandflächen in Kontakt kommt, die den vertieften Abschnitt begrenzen. Die Verformung des zweiten Elementes wird durch die Wandflächen beschränkt, die den vertieften Abschnitt des ersten Elementes begrenzen. Damit wird verhindert, dass die durch die Reibung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erzeugte Wärme aus dem Inneren des vertieften Abschnitts freigesetzt wird. Dadurch kann der Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes effizient durchgeführt werden.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann das erste Element eine Bodenfläche des vertieften Abschnitts, die den vertieften Abschnitt begrenzt, sowie eine Seitenfläche des vertieften Abschnitts enthalten, die den vertieften Abschnitt begrenzt und sich in einer Richtung erstreckt, die die Bodenfläche des vertieften Abschnitts kreuzt. In dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes kann das zweite Element relativ gedreht werden, wobei es gleichzeitig relativ an die Bodenfläche des vertieften Abschnitts des ersten Elementes gepresst wird. Dies ermöglicht leichte Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Metallelementes.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes das zweite Element so verformt werden, dass es mit der Seitenfläche des vertieften Abschnitts in Kontakt kommt. Wenn die Verformung des zweiten Elementes mit der Seitenfläche des vertieften Abschnitts so beschränkt wird, ermöglicht dies leichte Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Metallelementes.
Das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann des Weiteren den Schritt einschließen, in dem in einem Zustand, in dem das erste Element und das zweite Element miteinander verbunden sind, das erste Element bearbeitet wird, um die Seitenfläche des vertieften Abschnitts zu entfernen. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, das Metallelement zu schaffen, das ausgebildet wird, wenn das erste Element an der Bodenfläche des vertieften Abschnitts mit dem zweiten Element verbunden wird.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes das zweite Element gedreht werden, während das erste Element stationär ist. Dies ermöglicht leichte Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Metallelementes.
Das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann des Weiteren den Schritt einschließen, in dem in einem Zustand, in dem das erste Element und das zweite Element miteinander verbunden sind, ein Grat entfernt wird, der aufgrund von Verformung des zweiten Elementes in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes ausgebildet wird. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, das Metallelement zu schaffen, von dem der Grat entfernt ist, der beim Verbinden des ersten Elementes und des zweiten Elementes entsteht.
Effekte der Erfindung
Wie aus der oben stehenden Beschreibung deutlich wird, ist es mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes in der vorliegenden Erfindung möglich, das Metallelement herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente über eine Verbindungsschicht miteinander verbunden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt;
3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Form zeigt;
6 ist eine schematische Schnittansicht, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
7 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
8 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
9 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
10 ist eine schematische Schnittansicht, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
11 ist eine weitere schematische Schnittansicht, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
12 ist eine weitere schematische Schnittansicht, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
13 zeigt den mittels Ultraschallprüfung getesteten Verbindungszustand (Beispiel);
14 zeigt den mittels Ultraschallprüfung getesteten Verbindungszustand (Vergleichsbeispiel);
15 ist eine optische Mikroaufnahme, die den Zustand an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element in der Nähe eines Randes einer Vertiefung und um sie herum zeigt; und
16 ist eine optische Mikroaufnahme, die den Zustand an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element in der Nähe der Mitte der Vertiefung und um sie herum zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen beschrieben. In den folgenden Zeichnungen werden die gleichen oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform (nicht von der Erfindung umfasst)
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes (Maschinenbauteil) zeigt, das mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden kann. Das Metallelement 1 hat, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, einen Aufbau, bei dem ein aus einem ersten Metall bestehendes erstes Element 10 und ein aus einem zweiten Metall bestehendes zweites Element 20 verbunden sind.
Das erste Element 10 hat eine zylindrische Form. Eine Endfläche 11 des ersten Elementes 10 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem zweiten Element 20. Das zweite Element 20 hat eine zylindrische (scheibenartige) Form. Eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem ersten Element 10.
Das zweite Metall, das das zweite Element 20 bildet, weist schwächeren Verformungswiderstand auf als das erste Metall, das das erste Element 10 bildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise thermisch vergüteter (angelassener und gehärteter) Stahl (z.B. JIS SCM 440 oder anderer Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau oder Kohlenstoffstahl für den Einsatz im Maschinenbau) eingesetzt. Für das zweite Metall wird Kupferlegierung (beispielsweise hochfestes Messing) eingesetzt.
An der einen Endfläche 11 des ersten Elementes 10 ist eine Vertiefung 19 so ausgebildet, dass sie einen Bereich einschließt, der eine Mittelachse C des ersten Elementes 10 kreuzt. Die Vertiefung 19 ist mit dem zweiten Element 20 gefüllt. Dieses Metallelement 1 kann mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes in der vorliegenden Ausführungsform wie im Folgenden beschrieben hergestellt werden.
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 4 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 5 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Form zeigt, die in der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes enthalten ist. 6 ist eine schematische Schnittansicht, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, als ein Schritt S10 ein Schritt zum Fertigen geformter Elemente ausgeführt. In diesem Schritt S10 werden, wie unter Bezugnahme auf 4 zu sehen ist, ein aus thermisch vergütetem Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau bestehendes zylindrisches erstes Element 10 und ein aus hochfestem Messing bestehendes scheibenförmiges zweites Element 20 gefertigt. Eine Endfläche 11 des ersten Elementes 10 dient als eine erste Kontaktfläche, aus der eine Verbindungsfläche wird. In der einen Endfläche 11 ist eine Vertiefung 19 ausgebildet. Eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 dient als eine Kontaktfläche des zweiten Elementes, die eine plane Fläche ist und aus der eine Verbindungsfläche wird.
Anschließend wird als ein Schritt S20 ein Reinigungs-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S20 werden das erste Element 10 und das zweite Element 20, die in dem Schritt S10 gefertigt wurden, gereinigt. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 werden unter Verwendung von Methanol, Ethanol, Aceton oder anderer Flüssigkeit gereinigt. Damit werden etwaige Fremdkörper entfernt, die nach dem Schneiden, Bearbeiten oder anderen Prozessen zum Fertigen des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 an dem ersten Element 10 oder dem zweiten Element 20 haften. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform kann Feinstbearbeitung an Endflächen des zweiten Elementes 20 weggelassen werden, das heißt, die Endflächen des zweiten Elementes 20 können wie geschnitten belassen werden.
Anschließend wird, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, ein Schritt zum Kammer-Reibschweißen ausgeführt. Dieser Schritt zum Kammer-Reibschweißen schließt einen Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, einen Reib-Schritt und einen Abkühl-Schritt ein. Im Folgenden wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes beschrieben, mit der das Metallelement 1 mittels Durchführen von Kammer-Reibschweißen hergestellt wird.
Eine Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9, die die Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes ist, enthält eine Spindel 95, die um eine Achse a herum gedreht werden kann, einen Trägerabschnitt 98, der von der Spindel 95 in der Richtung der Achse α beabstandet ist, einen Antriebsabschnitt 97, der den Abstand zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 einstellt, indem er die Spindel 95 in den Richtungen der Achse α antreibt, sowie ein Gestell 90, das die Spindel 95 und den Trägerabschnitt 98 trägt.
Im Inneren des Gestells 90 ist, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, eine Welle 90A so angeordnet, dass sie sich parallel zu der Achse α erstreckt. Diese Welle 90A trägt einen Spindel-Trageabschnitt 90C, der die Spindel 95 trägt, so, dass sich der Spindel-Trageabschnitt 90C in den Richtungen bewegen kann, in denen sich die Welle 90A erstreckt. Ein Spindel-Bewegungsmotor 90B, mit dem die Welle 90A angetrieben wird, ist mit der Welle 90A verbunden. Wenn die Welle 90A von dem Spindel-Bewegungsmotor 90B angetrieben wird, bewegt sich die von dem Spindel-Trageabschnitt 90C getragene Spindel 95 in den Richtungen der Achse α. Dadurch kann der Abstand zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 eingestellt werden. Die Welle 90A, der Spindel-Trageabschnitt 90C und der Spindel-Bewegungsmotor 90B bilden den Antriebsabschnitt 97.
Ein Spannkopf 94 der rotierenden Seite und eine Form 93 sind so angeordnet, dass in einem Zustand (in 4 gezeigt), in dem das erste Element 10 und das zweite Element 20 aufgrund des durch den Antriebsabschnitt 97 eingestellten Abstandes zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 miteinander in Kontakt gebracht werden, eine Hohlraum-Seitenwand 93C, die einen Hohlraum 93A begrenzt, den Außenumfang der einen Endfläche 21 umschließt, die als die zweite Kontaktfläche dient, an der das zweite Element 20 mit dem ersten Element 10 in Kontakt kommt. Die Hohlraum-Seitenwand 93C hat eine Höhe in der Richtung der Achse α, die größer ist als die Dicke des zweiten Elementes 20.
Die Spindel 95 enthält, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, den Spannkopf 94 der rotierenden Seite, der ein erster Halteabschnitt ist, mit dem das erste Element 10 so gehalten wird, dass es dem Trägerabschnitt 98 gegenüberliegt. Mit der Spindel 95 ist ein Spindelmotor 95B verbunden, der die Spindel 95 drehend um die Achse α herum antreibt. An der Spindel 95 ist des Weiteren ein Lastsensor 96 angebracht, der eine Kontaktlast zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erfasst. Der Lastsensor 96 erfasst die Kontaktlast zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 anhand der Stärke der Kontakt-Reaktionskraft zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20, die auf den Spannkopf 94 der rotierenden Seite ausgeübt wird. Obwohl der Lastsensor 96 keine zwingend erforderliche Komponente für die Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 ist, erleichtert der Sensor, wenn er vorhanden ist, Einstellen der Kontaktlast zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 auf einen geeigneten Bereich.
An dem Trägerabschnitt 98 ist die Form 93 angeordnet, die ein zweiter Halteabschnitt ist, mit dem das zweite Element 20 so gehalten wird, dass es dem Spannkopf der rotierenden Seite gegenüberliegt. Der Trägerabschnitt 98 enthält, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 zu sehen ist, einen Träger-Körper 91, einen Form-Halter 92 und die Form 93. Der Träger-Körper 91 ist an dem Gestell 90 angeordnet. Der Form-Halter 92 ist an dem Träger-Körper 91 befestigt. Die Form 93 ist in einen Form-Halteabschnitt eingesetzt, der ein in dem Form-Halter 92 ausgebildeter vertiefter Abschnitt ist, und ist über eine radiale Klemmfläche 92B fixiert. Die Form 93 kann, wie in 5 gezeigt, in zwei Teile 99, 99 getrennt werden.
Die Form 93 enthält, wie unter Bezugnahme auf 4 und 5 zu sehen ist, eine Hohlraum-Bodenwand 93B, die eine kreisförmige plane Fläche ist, sowie eine Hohlraum-Seitenwand 93C, die sich von der Hohlraum-Bodenwand 93B in einer Richtung erstreckt, die die Hohlraum-Bodenwand 93B kreuzt (Richtung senkrecht dazu). Die Hohlraum-Bodenwand 93B und die Hohlraum-Seitenwand 93C begrenzen den Hohlraum 93A. Die Hohlraum-Seitenwand 93C, die mit dem Außenumfang der Hohlraum-Bodenwand 93B in einer Kreisform verbunden ist, hat die Form einer zylindrischen Fläche, die den gleichen Durchmesser hat wie die Hohlraum-Bodenwand 93B.
Im Folgenden wird ein Ablauf des Schrittes zum Kammer-Reibschweißen im Einzelnen beschrieben. In dem Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, der als ein Schritt S30 ausgeführt wird, wird, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 zu sehen ist, das erste Element 10 durch den Spannkopf 94 der rotierenden Seite an der Außenumfangsfläche gehalten. Das zweite Element 20 wird in den Hohlraum 93A der Form 93 eingesetzt. Die eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 wird von der Hohlraum-Seitenwand 93C umschlossen.
Das zweite Element 20 ist so angeordnet, dass seine Endfläche mit der Hohlraum-Bodenwand 93B in Kontakt kommt, die den Hohlraum 93A begrenzt. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 sind so angeordnet, dass die eine Endfläche 11 des ersten Elementes 10 und die eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 einander gegenüberliegen und die Mittelachsen des ersten Elementes 10 sowie des zweiten Elementes 20 mit der Drehachse α des Spannkopfes der rotierenden Seite übereinstimmen. In der einen Endfläche 11, die als die erste Kontaktfläche dient, ist die Vertiefung 19 so ausgebildet, dass sie den Bereich einschließt, der die Drehachse α kreuzt. Die Vertiefung 19 hat eine Scheibenform, und ihre Mittelachse ist mit der Drehachse α fluchtend. In einer Draufsicht (in der Richtung der Drehachse α gesehen) befindet sich die Drehachse α in der Vertiefung 19.
Ein Trennmittel wird in den Hohlraum 93A eingeleitet. So werden in einem weiter unten beschriebenen Schritt S40 das erste Element 10 und das zweite Element 20 beim Vorhandensein des Trennmittels in dem Hohlraum 93A erhitzt. Obwohl Einleitung des Trennmittels kein zwingend notwendiger Vorgang ist, erleichtert das Trennmittel, wenn es eingeleitet wird, Entnahme eines strukturellen Körpers, der durch das erste Element 10 und das zweite Element 20 gebildet wird, die miteinander verbunden sind, aus der Form 93 in einem weiter unten beschriebenen Schritt S50. Das Trennmittel kann flüssig oder pulverförmig sein.
Anschließend wird als ein Schritt S40 der Reib-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S40 wird die Spindel 95 von dem Spindelmotor 95B so angetrieben, dass sie sich um die Achse α herum dreht, und wird auch durch den Spindel-Bewegungsmotor 90B so angetrieben, dass sie sich dem Trägerabschnitt 98 nähert. Daher nähert sich der Spannkopf 94 der rotierenden Seite der Form 93 und dreht sich dabei um die Achse α.
Das erste Element 10 dreht sich relativ um die Drehachse α herum und wird dabei gleichzeitig an das zweite Element 20 gepresst, ohne seine Positionsbeziehung relativ zu dem zweiten Element 20 zu ändern. Die Temperatur erhöht sich an den Kontaktabschnitten des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 aufgrund der Reibungswärme. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 werden durch die Reibungswärme erhitzt. Die Temperatur des zweiten Elementes 20 steigt beispielsweise auf eine Temperatur, die nicht unter dem Erweichungspunkt und unter dem Schmelzpunkt des zweiten Metalls liegt, das das zweite Element 20 bildet.
Das zweite Element 20 weist, wie oben erläutert, einen Verformungswiderstand auf, der schwächer ist als der des ersten Elementes 10. Das erhitzte zweite Element 20 erweicht und verformt sich und kommt so in Kontakt mit der Hohlraum-Seitenwand 93C der Form 93. Dadurch wird Drehung des zweiten Elementes 20 zusammen mit dem ersten Element 10 eingeschränkt und wird auch weitere Verformung des zweiten Elementes 20 eingeschränkt. Die Reibung zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erzeugt weitere Wärme, und es wird verhindert, dass die erzeugte Wärme aus dem Inneren des Hohlraums 93A freigesetzt wird.
Anschließend wird als ein Schritt S50 der Abkühl-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S50 wird zunächst die Drehgeschwindigkeit der Spindel 95 verringert und wird die Drehung angehalten. Danach wird die durch den Lastsensor 96 erfasste Presslast verringert. Dabei werden das erste Element 10 und das zweite Element 20 abgekühlt und dabei in dem Zustand gehalten, in dem sie aneinandergepresst werden. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 werden in dem Zustand abgekühlt, in dem sie in Kontakt miteinander sind. Dementsprechend werden das erste Element 10 und das zweite Element 20 direkt verbunden.
Anschließend wird die Presslast auf Null eingestellt und wird das Metallelement 1, das der strukturelle Körper ist, der durch das erste Element 10 und das zweite Element 20 gebildet wird, die miteinander verbunden sind, aus der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 entnommen. Mit dem oben dargestellten Vorgang wird der Schritt zum Kammer-Reibschweißen abgeschlossen.
Anschließend wird als ein Schritt S60 ein Bearbeitungs-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S60 wird das in dem Schritt S50 geschaffene Metallelement 1 Bearbeitung unterzogen. In dem Schritt S60 wird beispielsweise der aufgrund von Verformung des zweiten Elementes 20 in dem Schritt S40 ausgebildete Grat entfernt. Anschließend werden Wärmebehandlung, Fertigbearbeitung und andere Prozesse in entsprechender Weise durchgeführt, so dass das Metallelement 1 fertiggestellt wird.
In dem oben beschriebenen Schritt S40 nimmt die Umfangsgeschwindigkeit des ersten Elementes 10 in Bezug auf das zweite Element 20 mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab. Die durch Reibung zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erzeugte Wärme nimmt mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab. Wenn das erste Element 10 einen großen Durchmesser hat, besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt. So reicht möglicherweise, selbst wenn die Temperatur in dem Außenumfangsabschnitt auf eine Stufe erhöht worden ist, die zum Verbinden geeignet ist, die Zunahme der Temperatur in dem Mittelabschnitt nicht aus, wodurch Herstellung einer Verbindung behindert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Vertiefung 19 in der einen Endfläche des ersten Elementes 10 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform fließt, wie unter Bezugnahme auf 6 zu sehen ist, das erhitzte und erweichte zweite Element 20 entlang der Pfeile γ und tritt in die Vertiefung 19 ein, die so ausgebildet ist, dass sie den Bereich einschließt, der die Drehachse α kreuzt. Wenn das zweite Element 20 in die Vertiefung 19 eintritt, wird die Wärme dem Mittelabschnitt (Bereich, der die Drehachse α einschließt) zugeführt. Damit wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt verringert. Dadurch wird leicht gute Verbindung über die gesamten Verbindungsflächen erzielt.
Mit dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 unter Verwendung der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 in der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie oben beschrieben, möglich, das Metallelement 1 herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem das aus einem ersten Metall bestehende erste Element 10 und das zweite Element 20, das aus einem zweiten Metall besteht, das einen schwächeren Verformungswiderstand hat als das erste Metall, direkt fest miteinander verbunden sind. Es wird das Metallelement 1 hergestellt, das einen Aufbau hat, bei dem die aus unterschiedlichen Metallen bestehenden Elemente direkt fest miteinander verbunden sind.
Zweite Ausführungsform (von der Erfindung umfasst)
Eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
7 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes (Maschinen-Bauteil) zeigt, das mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der zweiten Ausführungsform hergestellt werden kann. Das Metallelement 1 hat, wie unter Bezugnahme auf 7 zu sehen ist, einen Aufbau, bei dem ein aus einem ersten Metall bestehendes erstes Element 10 und ein aus einem zweiten Metall bestehendes zweites Element 20 verbunden sind.
Das erste Element 10 hat eine zylindrische (scheibenartige) Form. Eine Endfläche 11 des ersten Elementes 10 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem zweiten Element 20. Das zweite Element 20 hat eine zylindrische Form. Eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem ersten Element 10. Das zweite Metall, das das zweite Element 20 bildet, weist einen schwächeren Verformungswiderstand auf als das erste Metall, das das erste Element 10 bildet. Für das erste Metall und das zweite Metall werden gleiche Metalle wie in der ersten Ausführungsform eingesetzt.
An der einen Endfläche 11 des ersten Elementes 10 ist eine Vertiefung 19 so ausgebildet, dass sie einen Bereich einschließt, der eine Mittelachse C des ersten Elementes 10 kreuzt. Die Vertiefung 19 wird mit dem zweiten Element 20 gefüllt. Dieses Metallelement 1 kann mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes in der vorliegenden Ausführungsform wie im Folgenden beschrieben hergestellt werden.
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt. 8 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 10 bis 12 sind schematische Schnittansichten, die das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellen.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, als ein Schritt S10 ein Schritt zum Fertigen geformter Elemente ausgeführt. In diesem Schritt S10 werden, wie unter Bezugnahme auf 9 zu sehen ist, ein aus thermisch vergütetem Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau bestehendes erstes Element 10 und ein aus hochfestem Messing bestehendes zweites Element 20 gefertigt. Das zweite Element 20 hat eine zylindrische Form.
Das erste Element 10 hat eine zylindrische (scheibenartige) Form. Das erste Element 10 weist einen vertieften Abschnitt 10A auf. Der vertiefte Abschnitt 10A ist so ausgebildet, dass er eine Mittelachse des ersten Elementes 10 einschließt. Der vertiefte Abschnitt 10A hat eine zylindrische Form. Die Mittelachse des ersten Elementes 10 und die Mittelachse des vertieften Abschnitts 10A sind miteinander fluchtend. Das erste Element 10 enthält eine Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts, die den vertieften Abschnitt 10A begrenzt, sowie eine Seitenfläche des vertieften Abschnitts, die den vertieften Abschnitt 10A begrenzt und sich in einer Richtung erstreckt, die die Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts kreuzt.
Die Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10 dient als eine erste Kontaktfläche des ersten Elementes, die mit dem zweiten Element 20 verbunden wird. In der Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts ist eine Vertiefung 19 ausgebildet. Die Vertiefung 19 ist in dem vertieften Abschnitt 11 ausgebildet. Eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 dient als eine Kontaktfläche des zweiten Elementes, die eine plane Fläche ist, die mit dem ersten Element 10 verbunden wird.
Anschließend wird als ein Schritt S20 ein Reinigungs-Schritt ausgeführt. Dieser Schritt S20 wird ähnlich wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform kann Feinstbearbeitung an der einen Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 weggelassen werden, das heißt, die eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 kann wie geschnitten belassen werden.
Anschließend wird, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, ein Schritt zum Kammer-Reibschweißen ausgeführt. Dieser Schritt zum Kammer-Reibschweißen schließt einen Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, einen Reib-Schritt und einen Abkühl-Schritt ein. Im Folgenden wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes beschrieben, mit der das Metallelement 1 mittels Durchführen von Kammer-Reibschweißen hergestellt wird.
Die Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 als die Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes in der zweiten Ausführungsform hat, wie unter Bezugnahme auf 8 zu sehen ist, im Wesentlichen einen ähnlichen Aufbau und ähnliche Funktion wie in der ersten Ausführungsform. Die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben.
Die Spindel 95 enthält einen Spannkopf 94 der rotierenden Seite, der das zweite Element 20 so hält, dass es dem Trägerabschnitt 98 gegenüberliegt. Der Trägerabschnitt 98 enthält einen Spannkopf 92 der stationären Seite, der das erste Element 10 so hält, dass es dem Spannkopf 94 der rotierenden Seite gegenüberliegt. Der Trägerabschnitt 98 enthält, wie unter Bezugnahme auf 8 und 9 zu sehen ist, einen Träger-Körper 91 sowie den Spannkopf 92 der stationären Seite. Der Spannkopf 92 der stationären Seite ist an dem Träger-Körper 91 befestigt. Der Spannkopf 92 der stationären Seite enthält eine Bodenfläche 92A, die das erste Element 10 in der axialen Richtung hält, sowie eine radiale Klemmfläche 92B, die das erste Element 10 in der radialen Richtung hält.
Im Folgenden wird ein Ablauf des Schrittes zum Kammer-Reibschweißen im Einzelnen beschrieben. In dem Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, der als ein Schritt S30 ausgeführt wird, wird das zweite Element 20, wie unter Bezugnahme auf 9 zu sehen ist, durch den Spannkopf 94 der rotierenden Seite an der Außenumfangsfläche gehalten. Das erste Element 10 wird durch den Spannkopf 92 der stationären Seite an der Außenumfangsfläche gehalten.
Das erste Element 10 und das zweite Element 20 sind so angeordnet, dass die Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10 und die eine Endfläche 21 des zweiten Elementes 20 einander gegenüberliegen und dass die Mittelachsen des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 mit der Drehachse α des Spannkopfes 94 der rotierenden Seite übereinstimmen. In der Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts als der ersten Kontaktfläche ist eine Vertiefung 19 so ausgebildet, dass sie den Bereich einschließt, der die Drehachse α kreuzt. Die Vertiefung 19 hat eine Scheibenform, deren Mittelachse mit der Drehachse α fluchtend ist.
Anschließend wird als ein Schritt S40 der Reib-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S40 wird die Spindel 95 von dem Spindelmotor 95B so angetrieben, dass sie sich um die Achse α herum dreht, und wird auch durch den Spindel-Bewegungsmotor 90B so angetrieben, dass sie sich dem Trägerabschnitt 98 nähert. Daher nähert sich der Spannkopf 94 der rotierenden Seite dem Spannkopf 92 der stationären Seite und dreht sich dabei um die Achse α.
Dann dreht sich, wie in 9 gezeigt, in einem Zustand, in dem wenigstens ein Teil (ein Bereich, der die eine Endfläche 21 einschließt) des zweiten Elementes 20 in dem vertieften Abschnitt 10A aufgenommen ist, das zweite Element 20 relativ und wird dabei gleichzeitig mit einer vorgegebenen Last an das erste Element 10 gepresst, ohne seine Position relativ zu dem ersten Element 10 zu ändern. Das zweite Element 20 dreht sich und wird dabei gleichzeitig an die Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10 gepresst. Dadurch wird die Temperatur des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 aufgrund der Reibungswärme erhöht.
Zum Beginn der Drehung ist zwischen einer Außenumfangsfläche 22 des zweiten Elementes 20 und der Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10 ein Zwischenraum vorhanden. Zum Beginn der Drehung ist die Außenumfangsfläche 22 des zweiten Elementes 20 nicht in Kontakt mit der Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10.
Die Umfangsgeschwindigkeit des zweiten Elementes 20 in Bezug auf das erste Element 10 nimmt mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab. Die durch Reibung zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erzeugte Wärme nimmt mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab. Wenn das zweite Element 20 einen großen Durchmesser hat, besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt. So reicht möglicherweise, selbst wenn die Temperatur in dem Außenumfangsabschnitt auf eine Stufe erhöht worden ist, die zum Verbinden geeignet ist, die Zunahme der Temperatur in dem Mittelabschnitt nicht aus.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Vertiefung 19 in der Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts des ersten Elementes 10 ausgebildet. Darüber hinaus ist der Verformungswiderstand des zweiten Elementes 20 schwächer als der des ersten Elementes 10. In der vorliegenden Ausführungsform fließt, wie unter Bezugnahme auf 10 zu sehen ist, dass erhitzte und erweichte zweite Element 20 entlang der Pfeile γ und tritt in die Vertiefung 19 ein, die so ausgebildet worden ist, dass sie den Bereich einschließt, der die Drehachse α kreuzt.
Das erhitzte zweite Element 20 erweicht und verformt sich, wie dies unter Bezugnahme auf 11 zu sehen ist, und kommt so mit der Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts in Kontakt. Die Verformung des zweiten Elementes 20 wird durch die Wandflächen (Bodenfläche 11 des vertieften Abschnitts und Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts) beschränkt, die den vertieften Abschnitt 10A des ersten Elementes 10 begrenzen. So wird verhindert, dass die durch die Reibung erzeugte Wärme aus dem Inneren des vertieften Abschnitts 10A freigesetzt wird. Der vertiefte Abschnitt 10A wird mit dem erweichten zweiten Element 20 gefüllt. Ein Grat 29 wird aufgrund von Verformung des zweiten Elementes 20 ausgebildet.
Anschließend wird der Abkühl-Schritt als ein Schritt S50 ausgeführt. In diesem Schritt S50 wird zunächst die Drehgeschwindigkeit der Spindel 95 verringert und wird die Drehung angehalten. Danach wird die durch den Lastsensor 96 erfasste Presslast verringert. Dabei werden das erste Element 10 und das zweite Element 20 abgekühlt und dabei in dem Zustand gehalten, in dem sie aneinandergepresst werden. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 werden in dem Zustand abgekühlt, in dem sie miteinander in Kontakt sind. Dementsprechend werden das erste Element 10 und das zweite Element 20 verbunden.
Anschließend wird die Presslast auf Null eingestellt und wird das Metallelement 1, das der strukturelle Körper ist, der durch das erste Element 10 und das zweite Element 20 gebildet wird, die miteinander verbunden sind, aus der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 entnommen. Mit dem oben dargestellten Vorgang wird der Schritt zum Kammer-Reibschweißen abgeschlossen.
Anschließend wird als ein Schritt S60 ein Bearbeitungs-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S60 wird das in dem Schritt S50 geschaffene Metallelement 1 spanender und anderweitiger Bearbeitung unterzogen. In dem Schritt S60 wird, wie unter Bezugnahme auf 12 zu sehen ist, in dem Zustand, in dem das erste Element 10 und das zweite Element 20 miteinander verbunden sind, der aufgrund von Verformung des zweiten Elementes 20 in dem Schritt S40 ausgebildete Grat 29 entfernt.
In dem Schritt S60 wird des Weiteren, wie unter Bezugnahme auf 12 zu sehen ist, in dem Zustand, in dem das erste Element 10 und das zweite Element 20 miteinander verbunden sind, das erste Element 10 so bearbeitet, dass die Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts entfernt wird. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 werden entlang der unterbrochenen Linien A spanend so bearbeitet, dass der Außenumfangsbereich, der die Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts einschließt, sowie der Grat 29 entfernt werden. So wird mit dem oben dargestellten Vorgang das Metallelement 1 geschaffen, das der in 7 gezeigte, aus dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 zusammengesetzte Körper ist. Das Entfernen des Außenumfangsbereiches, der die Seitenfläche 12 des vertieften Abschnitts einschließt, und das Entfernen des Grats 29 können durchgehend als ein einzelner Schritt durchgeführt werden oder können als separate Schritte zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden. Anschließend werden entsprechende Fertigbearbeitung und andere Prozesse durchgeführt, so dass das Metallelement 1 fertiggestellt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform tritt das in dem Schritt S40 erweichte zweite Element 20 in die Vertiefung 19 ein, so dass die Wärme dem Mittelabschnitt (Bereich, der die Drehachse α einschließt) zugeführt wird. Damit wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt verringert. Dadurch wird leicht gute Verbindung über die gesamten Verbindungsflächen erzielt.
Mit dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 unter Verwendung der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 in der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie oben beschrieben, möglich, das Metallelement 1 herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem das aus dem ersten Metall bestehende erste Element 10 und das zweite Element 20, das aus dem zweiten Metall besteht, das einen schwächeren Verformungswiderstand hat als das erste Metall, direkt fest miteinander verbunden sind. Es kann das Metallelement 1 hergestellt werden, das einen Aufbau hat, bei dem das erste Element 10 und das zweite Element 20, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen, direkt fest miteinander verbunden sind.
In dem oben beschriebenen Schritt S40 in der ersten und zweiten Ausführungsform ist der Verformungswiderstand des zweiten Elementes 20 (zweites Metall) in dem Zustand erhöhter Temperatur vorzugsweise um 10 % oder mehr, besser um 50 % oder mehr und noch besser um 80 % oder mehr schwächer als der Verformungswiderstand des ersten Elementes 10 (erstes Metall) in dem Zustand erhöhter Temperatur. Das erste Element 10 und das zweite Element 20 können, wie oben erläutert, wie in der vorliegenden Ausführungsform in dem Fall verbunden werden, in dem das zweite Element 20 (zweites Metall) schwächeren Verformungswiderstand aufweist als das erste Element 10 (erstes Metall). Wenn der Unterschied zwischen dem Verformungswiderstand des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 jedoch gering ist, wird in dem Schritt S40 möglicherweise nicht nur das zweite Element 20, sondern auch das erste Element 10 verformt.
In diesem Fall wäre es schwierig, das erste Element 10 und das zweite Element 20 zufriedenstellend zu verbinden, so dass die Temperaturen des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 in dem Schritt S40 genauestens reguliert werden müssten. Wenn der Verformungswiderstand des zweiten Metalls in dem Zustand erhöhter Temperatur in dem Schritt S40 um 10 % oder mehr schwächer festgelegt wird als der des ersten Metalls, erleichtert dies Herstellung guter Verbindung, und wenn er um 50 % oder mehr oder sogar 80 % oder mehr schwächer festgelegt wird, kann dadurch Herstellung guter Verbindung weiter erleichtert werden.
Beispiele
Es wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem ein erstes Element 10 und ein zweites Element 20 mittels eines ähnlichen Verfahrens wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verbunden wurden, um ein Muster des Metallelementes herzustellen. Als das Metall (erstes Metall), das das erste Element 10 bildet, wurde JIS SCM440 (angelassen und gehärtet) eingesetzt, bei dem es sich um Stahl (Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau) handelt. Als das Metall (zweites Metall), das das zweite Element 20 bildet, wurde hochfestes Messing eingesetzt. Das hergestellte erste Element 10 hatte einen Durchmesser von 127 mm. Das hergestellte zweite Element 20 hatte einen Durchmesser von 130 mm und eine Dicke von 3 mm. An der einen Endfläche 11 des ersten Elementes 10 wurde eine scheibenförmige Vertiefung 19 so ausgebildet, dass sie einen Durchmesser von 48 mm und eine Tiefe von 0,1 mm hatte, wobei ihre Mittelachse mit der des ersten Elementes 10 fluchtend war (Beispiel). Zu Vergleichszwecken wurde ein Muster unter den gleichen Bedingungen erzeugt, bei dem jedoch keine Vertiefung 19 ausgebildet war (Vergleichsbeispiel).
Die hergestellten Muster wurden Ultraschallprüfung unterzogen, um den Verbindungszustand des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 zu testen. Das Ergebnis des Tests des Musters des Beispiels ist in 13 dargestellt. Das Ergebnis des Tests des Musters des Vergleichsbeispiels ist in 14 dargestellt.
13 und 14 sind Bilder, die jeweils dem Querschnitt parallel zu den Verbindungsflächen des ersten Elementes 10 und des zweiten Elementes 20 entsprechen. In 13 und 14 sind die weißen Bereiche Bereiche, in denen Fehler erfasst wurden. Bei dem Muster des Vergleichsbeispiels ist ein unverbundener Bereich D in der Nähe der Mitte der Verbindungsflächen ausgebildet.
Die Umfangsgeschwindigkeit des ersten Elementes 10 in Bezug auf das zweite Element 20 nimmt, wie oben erläutert, mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab. Die durch die Reibung zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 erzeugte Wärme nimmt mit abnehmendem Abstand zu der Drehachse α ab.
Wenn das erste Element 10 wie bei dem vorliegenden Muster einen großen Durchmesser (bei dem Durchmesser von 127 mm) hat, besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt. So reicht möglicherweise, selbst wenn die Temperatur in dem Außenumfangsabschnitt auf eine Stufe erhöht worden ist, die zum Verbinden geeignet ist, die Zunahme der Temperatur in dem Mittelabschnitt nicht aus. Dies ist möglicherweise der Grund dafür, dass Herstellung einer guten Verbindung nicht gelang.
Bei dem Muster des Beispiels ist, wie unter Bezugnahme auf 13 zu sehen ist, kein unverbundener Bereich in der Nähe der Mitte der Verbindungsflächen zu registrieren. Dies ist vermutlich auf die Vertiefung 19 zurückzuführen, die bei dem Muster des Beispiels in der einen Endfläche 11 des ersten Elementes 10 ausgebildet ist.
Bei dem Muster des Beispiels fließt das erhitzte und erweichte zweite Element 20 in die Vertiefung 19 hinein. Wenn das erhitzte zweite Element 20 in die Vertiefung 19 eintritt, wird die Wärme dem Mittelabschnitt (Bereich, der die Drehachse α einschließt) zugeführt. Damit wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Außenumfangsabschnitt und dem Mittelabschnitt verringert. Dies ist vermutlich der Grund dafür, dass gute Verbindung über die gesamten Verbindungsflächen erzielt wurde.
Das Muster des oben dargestellten Beispiels wurde in einer Ebene senkrecht zu den Verbindungsflächen geschnitten, und der Bereich an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 und um sie herum wurde unter Verwendung eines Lichtmikroskops untersucht. 15 ist eine Fotografie, die den Zustand an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element 10 und dem zweiten Element 20 in der Nähe der Mitte der Vertiefung 19 in der radialen Richtung und um sie herum zeigt.
Es wurde, wie unter Bezugnahme auf 15 und 16 zu sehen ist, bestätigt, dass das erste Element 10 und das zweite Element 20 sowohl in dem Bereich um die Mitte als auch in dem Bereich um den Rand der Vertiefung 19 herum zufriedenstellend verbunden worden sind.
Die oben aufgeführten Versuchsergebnisse zeigen, dass mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung das Metallelement hergestellt werden kann, das einen Aufbau hat, bei dem die aus unterschiedlichen Metallen bestehenden Elemente direkt miteinander verbunden sind. Insbesondere beim Herstellen eines Metallelementes mit einem großen Durchmesser erweist sich der Einsatz der vorliegenden Erfindung, bei der die Vertiefung in dem ersten Element ausgebildet ist, als effektiv. Beispielsweise beträgt bei dem oben beschriebenen Beispiel die zum Verbinden des ersten Elementes und des zweiten Elementes erforderliche Zeit ungefähr 10 Sekunden, so dass Verbindung innerhalb kurzer Zeit hergestellt werden kann.
Obwohl in den Ausführungsformen und Beispielen, die oben beschrieben werden, als Beispiel der Fall angeführt ist, in dem Stahl als das Metall (erstes Metall), das das erste Element bildet, und Messing als das Metall (zweites Metall), das das zweite Element bildet, eingesetzt wurden, sind die in der vorliegenden Erfindung einzusetzenden Metalle nicht darauf beschränkt. Beispiele für Kombinationen von Metallen, die eingesetzt werden können, sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

Erstes Element Zweites Element

Stahl Messing

Stahl Aluminiumlegierung

Stahl Legierung auf Basis von Nickel

Sinterhartmetall Stahl
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung können, wie in Tabelle 1 gezeigt, verschiedene Kombinationen aus dem aus einem ersten Metall bestehenden ersten Element und dem zweiten Element, das aus einem zweiten Metall mit einem schwächeren Verformungswiderstand als dem des ersten Metalls besteht, eingesetzt werden.
Industrielle Einsatzmöglichkeiten
Das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung kann besonders vorteilhaft bei der Herstellung eines Metallelementes eingesetzt werden, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt miteinander verbunden sind.
Beschreibung der Bezugszeichen
1: Metallelement; 9: Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung; 10: erstes Element; 10A: vertiefter Abschnitt; 11: Endfläche (Bodenfläche des vertieften Abschnitts); 12: Seitenfläche des vertieften Abschnitts; 19: Vertiefung; 20: zweites Element; 21: Endfläche; 22: Außenumfangsfläche; 29: Grat; 90: Gestell; 90A: Welle; 90B: Spindel-Bewegungsmotor; 90C: Spindel-Trageabschnitt; 91: Träger-Körper; 92 Form-Halter (Spannkopf der stationären Seite); 92A: Bodenfläche; 92B radiale Klemmfläche; 93: Form; 93A: Hohlraum; 93B: Hohlraum-Bodenwand; 93C Hohlraum-Seitenwand; 94: Spannkopf der rotierenden Seite; 95: Spindel; 95B: Spindel-Motor; 96: Lastsensor; 97: Antriebsabschnitt; 98: Trägerabschnitt; und 99: Teil.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1), das die folgenden Schritte umfasst: Fertigen eines aus einem ersten Metall bestehenden ersten Elementes (10) und eines zweiten Elementes (20), das aus einem zweiten Metall besteht, wobei das zweite Metall einen kleineren Verformungswiderstand aufweist als das erste Metall; sowie Verbinden des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20), wobei der Schritt des Verbindens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) die folgenden Schritte einschließt: Erhitzen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) durch relatives Drehen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) in Bezug zueinander um eine Drehachse (α) herum bei gleichzeitigem Pressen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) aneinander ohne Änderung einer relativen Positionsbeziehung zwischen dem ersten Element (10) und dem zweiten Element (20), sowie Abkühlen des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20), die erhitzt wurden, wobei die Elemente (10, 20) aneinandergepresst werden, wobei das erste Element (10) eine Fläche (11) hat, die als eine erste Kontaktfläche dient, die in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) in Kontakt mit dem zweiten Element (20) kommt, und in der ersten Kontaktfläche eine Vertiefung (19) so ausgebildet ist, dass die Vertiefung (19) einen Bereich beinhaltet, der die Drehachse (α) kreuzt, und wobei erhitztes und erweichtes Metalls des zweiten Elementes (20) in die Vertiefung (19) hineinfließt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) in einem Hohlraum (93A) einer Form (93) angeordnet ist, wobei die Kombination aus erstem Metall und zweiten Metall eine Kombination ausgewählt aus einer der folgenden Kombinationen ist: Stahl und Messing, Stahl und Aluminiumlegierung, Stahl und Legierung auf Basis von Nickel, Sinterhartmetall und Stahl.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach Anspruch 1, wobei die Form (93) enthält: eine Hohlraum-Bodenwand (93B), die den Hohlraum (93A) begrenzt, sowie eine Hohlraum-Seitenwand (93C), die den Hohlraum (93A) begrenzt und sich in einer Richtung erstreckt, die die Hohlraum-Bodenwand (93B) kreuzt.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach Anspruch 2, wobei in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) eine zweite Kontaktfläche, die eine Fläche (21) des zweiten Elementes (20) ist, die in Kontakt mit dem ersten Element (10) kommt, von der Hohlraum-Seitenwand (93C) umschlossen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das erste Element (10) gedreht wird, während die Form (93) stationär ist.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Element (10) ein vertiefter Abschnitt (10A) ausgebildet ist, die Vertiefung (19) in dem vertieften Abschnitt (10A) ausgebildet ist, und in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) in einem Zustand, in dem es wenigstens teilweise in dem vertieften Abschnitt (10A) aufgenommen ist, relativ in Bezug auf das erste Element (10) gedreht wird, während es gleichzeitig relativ an das erste Element (10) gepresst wird, um das erste Element (10) und das zweite Element (20) zu erhitzen.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach Anspruch 5, wobei das erste Element (10) enthält: eine Bodenfläche (11) des vertieften Abschnitts (10A), die den vertieften Abschnitt (10A) begrenzt, sowie eine Seitenfläche (12) des vertieften Abschnitts (10A), die den vertieften Abschnitt (10A) begrenzt und sich in einer Richtung erstreckt, die die Bodenfläche (11) des vertieften Abschnitts (10A) kreuzt, und in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) relativ gedreht wird, wobei es gleichzeitig relativ an die Bodenfläche (11) des vertieften Abschnitts (10A) des ersten Elementes (10) gepresst wird.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) so verformt wird, dass es mit der Seitenfläche (12) des vertieften Abschnitts (10A) in Kontakt kommt.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das des Weiteren den Schritt umfasst, in dem in einem Zustand, in dem das erste Element (10) und das zweite Element (20) miteinander verbunden sind, das erste Element (10) bearbeitet wird, um die Seitenfläche (12) des vertieften Abschnitts (10A) zu entfernen.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) das zweite Element (20) gedreht wird, während das erste Element (10) stationär ist.
Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren den Schritt umfasst, in dem in einem Zustand, in dem das erste Element (10) und das zweite Element (20) miteinander verbunden sind, ein Grat (29) entfernt wird, der aufgrund von Verformung des zweiten Elementes (20) in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes (10) und des zweiten Elementes (20) ausgebildet wird.