DE3125634A1

DE3125634A1 - Verfahren zum formen eines metallrads

Info

Publication number: DE3125634A1
Application number: DE19813125634
Authority: DE
Inventors: Robert Arvile 60050 McHenry Ill. Ridout
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-04-29
Also published as: JPS5747544A; US4345360A

Description

Patentanwälte . :: : * :

Dipl.-Ing. Hane-Jürgen Müller

DipL-Chem. Dr. Gerhard Schupfner h

Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger ϊ· Lucile-Grahn-Str. 38 - D 8000 München 80

Kaiser Aluminum & Chemical Corporation 300 Lakeside Drive Oakland, California 94643 V.St.A.

Verfahren zum Formen eines Metallrads

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen eines Metallrads, insbesondere eines einstückigen Metallrads für Personen- und Lastkraftwagen.

Heute bestehen die meisten Kraftfahrzeugräder aus Stahl und werden konventionell durch Zuschneiden und Schweißen eines Stahlstücks zur Bildung eines kreisrunden Rohrs und anschließendes Profilwalzen dieses Rohrstücks zu der Form der Radfelge hergestellt. Ein gesondertes Stahlstück wird als Radschüssel bzw. -scheibe geformt und dann mit der Felge verschweißt. Derartige Stahlräder sind sehr fest und relativ kostengünstig herstellbar.

Seit einigen Oahren bemüht man sich ernsthaft, das Gewicht von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, zu verringern. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Aluminium anstelle von Stahl zur Herstellung von Fahrzeugrädern sehr überlegenswert, da Aluminium im Vergleich zu Stahl ein wesentlich niedrigeres Gewicht pro Volumeneinheit hat,

Es ist bekannt, zweiteilige Aluminiumräder herzustellen, indem zuerst die Felge geformt und dann mit der Radschüssel verschweißt wird (US-PS 4 185 370). Ferner ist es bekannt, die Felge eines zweiteiligen Rads strangzupressen (US-PS'en 2 034 360 und 3 172 787). Beim Schweißvorgang können jedoch Probleme auftreten: Aluminium muß nicht nur sehr sorgfältig geschweißt werden, sondern im allgemeinen sind auch die metallurgischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit, des Metalls der Schweißstelle den Eigenschaften des Aluminiums, das der großen Wärme beim Schweißen nicht ausgesetzt wurde, unterlegen. D. h., das Metall der Schweißstelle hat normalerweise eine geringere Festigkeit als das Metall der anderen Radteile, so daß daraus eine potentielle Schwachstelle des Rads resultiert.

Es ist ferner bekannt, einstückige Aluminiumräder dadurch zu formen, daß das vollständige Rad gegossen wird und ferner formgeschmiedet wird (GB-PS'en 971 258 und 971 259) oder das Teile des Rads geschmiedet und gedruckt werden (US-PS'en 4 04-8 828 und 4 055 068). Das Hauptproblem beim Gießen oder Schmieden einstückiger Aluminiumräder besteht jedoch darin, daß zur Erzielung von Rädern mit ausreichend hoher Festigkeit die Verwendung relativ dicker Aluminiumquerschnitte (verglichen z. B. mit einem Stahlrad) erforderlich ist, so daß der Gewichtsvorteil beim Einsatz von Aluminium praktisch vollständig verlorengeht.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht die Herstellung eines einstückigen Aluminiumrads unter Verwendung der geringstmöglichen Metallmenge. D. h., Teile des Rads, die eine höhere Festigkeit haben müssen, können mit dickerem Querschnitt geformt werden, während Teile, die nur eine geringere Festigkeit aufweisen müssen, mit weniger dickem Querschnitt geformt werden können. Das gemäß dem Verfahren hergestellte Rad weist keine Zonen relativer Schwäche auf, die bei Warmschweißverbindungen auftreten können.

Das Verfahren nach der Erfindung zum Formen eines Metallrads aus einem einzigen Metallstück ist gekennzeichnet durch (a) Formen eines Metallstücks, das einen ersten Teil aufweist, dessen Querschnitt im wesentlichen dem Querschnitt der Felge des zu formenden Rads entspricht, wobei die größere Querschnittsabmessung des ersten Teils erheblich größer als die Dicke des ersten Teils ist und der erste Teil eine erste Fläche aufweist, die der Außenfläche des zu formenden Rads entspricht, und eine zweite, entgegengesetzte Fläche aufweist, die der INnenseite des zu formenden Rads entspricht, und das ferner einen mit dem ersten Teil einstückigen zweiten Teil aufweist, der einen ebenen Schnitt bildet und an der zweiten Fläche des ersten Teils befestigt ist und zu der größeren Querschnittsabmessung des ersten Teils im wesentlichen parallel liegt, (b) Zuschneiden des Metallstücks auf eine Länge, die dem Umfang des zu formenden Rads ungefährt entspricht, (c) Biegen des Abschnitts zu Kreisform, wobei die erste Fläche an der Außenseite des Kreises und die zweite Fläche an der Innenseite des Kreises liegt, so daß der zweite, ebene Teil zu einem mit dem gebogenen, kreisförmigen ersten Teil konzentrischen Zylinder geformt wird, (d) Verbinden der gegenüberliegenden Enden des gebogenen Metallstücks, und (e) Verformen des daran befestigten, nunmehr zylindrischen zweiten Teils zu einer mit dem ersten Teil einstückigen Radschüssel.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer gemäß der Erfindung verwendeten Ausgangsform;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kaltpreßstumpf verschweißung von zwei Metallstücken;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Rads, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, in einem Zwischenstadium der Herstellung;

Fig. k eine Querschnittsansicht eines Rads nach der Erfindung, wobei die Verformung zur Bildung der Radschüssel gezeigt ist; und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Rads.

Zur Herstellung eines Rads gemäß dem angegebenen Verfahren kann zwar jedes Metall verwendet werden, das Verfahren wird aber bevorzugt mit einer strangpreßbaren Aluminiumlegierung, z. B. einer Legierung der 6000-Serie (Magnesium-Silizium-Legierungen), etwa der Legierung 6061, durchgeführt. Ferner kann zwar jedes Verfahren, z. B. Walzen, zur Ausbildung der Anfangs- bzw. Ausgangsform eingesetzt werden, bevorzugt wird aber das Werkstück stranggepreßt, und die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Strangpressen erläutert.

Die gewählte Legierung wird in einer dem Fachmann bekannten Weise stranggepreßt. Der erste oder Hauptteil 11 des Strangpreßrohlings 12 hat einen Querschnitt, der im wesentlichen demjenigen des Radfeigens entspricht. Der Strangpreßteil nach Fig. 1 ist zwat mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke dargestellt, es ist jedoch ersichtlich, daß erwünschtenfalls zur Erzielung einer größeren Festigkeit Teile des Feigens dicker ausgebildet werden können.

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An dem Hauptteil 11 des Strangpreßteils 12 ist ein Stegteil 13 befestigt, der im wesentlichen in einer zum Hauptmittenschnitt Ik des Hauptteils 11 parallelen Ebene liegt. Wenn also der Strangpreßteil zu Kreisform gebogen wird, bildet der Stegteil 13 einen an dem Hauptteil 11 befestigten Zylinder, der die Radfelge bildet. Dabei braucht wiederum der Querschnitt des Stegteils 13 nicht gleichmäßig zu sein, sondern kann erwünschtenfalls ζ. Β. sich verjüngend verlaufen. Ebenso kann die Befestigungsstelle des Stegteils 13 an dem Hauptteil 11 gemäß der Konstruktion des herzustellenden Rads geändert werden. Der Strangpreßteil 12 wird in einer Länge hergestellt, die wenigstens gleich dem Umfang eines Rads entspricht; normalerweise wird es jedoch wirtschaftlicher sein, den Strangpreßteil in größeren Längen herzustellen, z. B. in Längen, die einem Vielfachen des Umfangs eines Einzelrads entsprechen, und ihn dann in Stücke der erwünschten Länge zu schneiden.

Nach dem üblichen Richtvorgang (durch Recken) wird der Strangpreßteil auf die Umfangslänge eines Rads zugeschnitten und so gebogen, daß die beiden Enden des Strangpreßteils im wesentlichen aneinanderliegen. Diese beiden Enden werden dann mit irgendeinem geeigneten Verfahren, bevorzugt durch Schweißen, miteinander verbunden. Es ist zwar möglich, Schmelzbad- oder Elektronenstrahlschweißen einzusetzen, bevorzugt wird jedoch Preßschweißen, und zwar insbesondere bei Umgebungstemperatur, angewandt. Da keine Wärme zur Anwendung kommt, resultiert das Preßschweißen bei Raumtemperatur in einer wesentlich stärkeren Verbindung, als sie beim Schmelzbadschweißen erzielbar wäre. Tatsächlich wurde gefunden, daß Kaltpreßschweißverbindungen im wesentlichen ebenso gute Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Dehnung usw. aufweisen wie das Metall, das dem Kaltpreßschweißvorgang nicht unterworfen wurde.

Kaltpreßschweißen ist ein bekanntes Verfahren und braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden. Fig. 2 zeigt schematisch das Kaltpreßstumpfschweißen von zwei ebenen Metallstücken 16 und 16'. Die Metallstücke 16 und 16' werden von Klemmbacken 17 und 17' bzw. 17'^T und 17■'' gegriffen. Nachdem die Metallstücke 16 und 16' fest zwischen den Klemmbacken 17 eingespannt sind, werden sie unter sehr

2 hohem Druck von z. B. 10 5^5 kg/cm durch die Bewegung der Klemmbacken 17 und 17' auf die Klemmbacken 17'' und 17' " zu zusammengedrückt. Während dieses Vorgangs wird (vgl. Fig. 2b) überschüssiges Metall an der Verbindungsstelle in Ausnehmungen 18 der Klemmbacken gepreßt, und die beiden Metallstücke 16 und 16' werden zu einem im wesentlichen ununterbrochenen Metallstück geformt. Der so gebildete Stauchgrat 19 wird entfernt, so daß ein glattes Metallstück mit gleichmäßigen Querschnitt entsprechend Fig. 2c erhalten wird.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß beim Kaltschweißen eines Strangpreßteils zur Herstellung eines Rads nach der Erfindung etwas komplizierter ausgebildete Greif- bzw. Klemmbacken als diejenigen nach Fig. 2 erforderlich sind; die Konstruktion einer solchen Vorrichtung, die nicht Teil der Erfindung bildet, bietet dem Fachmann jedoch keine Schwierigkeiten.

Selbstverständlich kann zum Herstellen einer guten Schweißverbindung der Kaltschweißvorgang einmal oder mehrfach wiederholt werden.

Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines dementsprechend hergestellten Rads in der vorgenannten Herstellungsphase. Die Radfelge, die aus dem Hauptteil 11 des Strangpreßteils 12 geformt ist, ist leicht erkennbar, und der Stegteil 13 bildet nunmehr einen Zylinderabschnitt.

Dieser aus dem Stegteil 13 geformte Zylinder wird nunmehr so verformt, daß er nicht mehr einen vertikalen Zylinder, sondern eine mehr oder weniger ebene Scheibe bildet, die die Radschüssel bildet. Fig. h zeigt das fertige Rad im Querschnitt und in Strichlinien verschiedene Phasen der Verformung des aus dem Stegteil 13 geformten Zylinders. Dieses Verformen kann mittels eines von mehreren bekannten Verfahren, z. B-. durch Drücken, durchgeführt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß das Verformen am vorteilhaftesten dadurch erfolgt, daß der Zylinder und seine späteren Konfigurationen in einer Serie, z. B. in sieben oder acht, von Ober- und Unterwerkzeughälften gedrückt wird. Dabei drückt die Oberwerkzeughälfte in jeder Stufe den Zylinder nach unten, so daß er der Form der Unterwerkzeughälfte angepaßt wird, wobei in aufeinanderfolgenden Stufen die Ober- und Unterwerkzeughälften den Zylinder immer stärker verformen, bis schließlich die Schüssel des Rads geformt wird.

Es ist ersichtlich, daß auch andere Konfigurationen sowohl der Felge als auch der Radschüssel möglich sind. Z. B. kann der Stegteil entsprechend Fig. 5 geformt sein. Unter Bezugnahme auf diese Figur ist zu beachten, daß die Radschüssel an verschiedenen Stellen unterschiedliche Dicken erhalten hat, insbesondere im Bereich der Schraubenlöcher 21, wobei diese Bereiche erheblich dicker als andere Abschnitte sind.

Einer der Vorteile des angegebenen Verfahrens besteht darin, daß es das Formen eines einstückigen Metallrads erlaubt, das in verschiedenen Abschnitten die jeweils optimale Metalldicke aufweist, so daß einerseits das Metall optimal genutzt wird und andererseits ein Rad mit sehr geringem Gewicht relativ zu der erforderlichen Festigkeit erhalten wird.

Selbstverständlich ist es zusätzlich zu den verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten für nach dem Verfahren hergestellte Räder möglich, Räder mit verschiedenartigem Styling herzustellen, indem z. B. der Strangpreßteilquerschnitt geändert wird und der Formgebungsteil des Verfahrens geändert wird.

Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf die Herstellung von Fahrzeugrädern erläutert, da sie auf diesem Gebiet wohl am besten einsetzbar ist, selbstverständlich ist es aber möglich, auch andere Räder, z. B. Riemen- oder Seilscheiben, mit dem Verfahren herzustellen.

Claims

Patentansprüche

1.)Verfahren zum Formen eines Metallrads aus einem einzigen Metallstück,

gekennzeichnet durch

(a) Formen eines MetallStücks,

das einen ersten Teil aufweist, dessen Querschnitt im wesentlichen dem Querschnitt der Felge des zu formenden Rads entspricht, wobei die größere Querschnittsabmessung des ersten Teils erheblich größer als die Dicke des ersten Teils ist und der erste Teil eine erste Fläche aufweist, die der Außenfläche des zu formenden Rads entspricht, und eine zweite, entgegengesetzte Fläche aufweist, die der Innenseite des zu formenden Rads entspricht,
und

das einen mit dem ersten Teil einstückigen zweiten Teil aufweist, der einen ebenen Schnitt bildet und an der zweiten Fläche des ersten Teils befestigt ist und zu der größeren Querschnittsabmessung des ersten Teils im wesentlichen parallel liegt;

(b) Zuschneiden des Metallstücks auf eine Länge, die dem Umfang des zu formenden Rads ungefähr entspricht;

(c) Biegen des Abschnitts zu Kreisform, wobei die erste Fläche an der Außenseite des Kreises und die zweite Fläche an dessen Innenseite liegt, so daß der zweite, ebene Teil zu einem mit dem gebogenen, kreisförmigen ersten Teil konzentrischen Zylinder geformt wird;

(d) Verbinden der gegenüberliegenden Enden des gebogenen Metallstücks; und

(e) Verformen des daran befestigten, nunmehr zylindrischen zweiten Teils zu einer mit dem ersten Teil einstückigen Radschüssel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen entsprechend Schritt (a) durch Strangpressen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden gemäß Schritt (d) durch Schweißen erfolgt.

4·. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißverfahren Druckschweißen angewandt wird.

5. Verfahren nach Anspruch ή-, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckschweißen bei Raumtemperatur durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformen gemäß Schritt (e) durch Preßformen erfolgt,

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformen gemäß Schritt (e) durch Drücken erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4-, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Aluminium eingesetzt wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminium eine Aluminiumlegierung der Serie 6000 verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierung eine 6061-Legierung verwendet wird