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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenfügen metallischer Elemente durch
Verbinden durch plastisches Fließen und einen durch das Verfahren
erhaltenen verbundenen Körper.
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In
der JP-A-11 120743 – als
dem am nächsten
verwandten Stand der Technik – ist
ein Verfahren zum Verbinden der Nabe einer Plattenvorrichtung und
der Welle einer Drehspindel zu einem verbundenen Körper offenbart.
Die Welle einer Spindel wird in eine Verbindungsbohrung eines Nabenelements
eingeführt.
Ein Verbindungsstempel mit einem ringförmigen Vorsprung an seinem
Endabschnitt wird in der Nähe
der Verbindungsbohrung mit einer Last gegen die Nabe gedrückt, die
die Elastizitätsgrenze
des Werkstoffs der Nabe übersteigt.
Ein plastisches Strömen
bzw. Fließen
eines Teils des Werkstoffs der Nabe wird veranlaßt, wodurch in der Verbindungsbohrung
der Freiraum zwischen der Spindelwelle und dem Nabenelement ausgefüllt wird.
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Da
bei diesem Verbindungsverfahren ein Verbinden durch plastisches
Fließen
ausgeführt
wird, nachdem die metallischen Elemente mit einem Spalt zwischen
einander frei eingepaßt
wurden, bildet ein anderer Abschnitt als die Nähe des Abschnitts, auf den
Druck ausgeübt
wird, um ein plastisches Fließen
zu veranlassen, tatsächlich
einen Spalt, was zu einer verhältnismäßig geringen
Festigkeit, insbesondere einer verhältnismäßig geringen Biegefestigkeit
der Verbindung führt.
Insbesondere tritt ein Problem auf, wenn dünne Metallplattenelemente gepreßt werden,
um ein plastisches Fließen
für ein
Verbinden zu veranlassen.
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Da
bei dem in der JP-A 2001-54268 offenbarten Verbindungsverfahren
das Verbinden durch plastisches Fließen erfolgt, nachdem zwei Elemente
durch Preßpassen
miteinander verbunden wurden, entsteht kein Spalt an einem anderen
Abschnitt als der Nähe
eines zum Veranlassen eines plastischen Fließens gepreßten Abschnitts, und daher
kann eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Biegefestigkeit
der Verbindung erzielt werden. Es besteht jedoch die Tendenz, daß beim Preßpassen
eine Schramme oder Scheuerstelle an den beiden Elementen entsteht,
was zu einem Verbiegen aufgrund des Preßpassens oder einer Verunreinigung
führt. Überdies
ist für
eine hohe Präzision
der Form der verbundenen Elemente das Erreichen einer Preßpaßgrenze
erforderlich, wodurch die Kosten steigen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum hoch
genauen und hoch festen Verbinden durch plastisches Fließen zu schaffen,
das geringe Kosten verursacht und durch das jedes Auftreten einer
Verunreinigung unterbunden wird.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird das in Anspruch 1 definierte Verfahren
zum Verbinden metallischer Elemente durch Verbinden durch plastisches
Strömen
zur Herstellung eines verbundenen Körpers mit einer erhöhten Verbindungsfestigkeit
und ohne Verunreinigungen geschaffen.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ferner ein durch plastisches Fließen verbundener
metallischer Körper
mit hoch fester Verbindung und ohne Verunreinigungen geschaffen.
Der verbundene Körper
kann vor allem bei einer Vorrichtung zum Drehen einer rotierenden
Platte und einer rotierenden Welle eingesetzt werden, bei der die
Elemente miteinander verbunden sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine allgemeine Draufsicht eines Festplattenlaufwerks, auf das die
vorliegende Erfindung angewendet wird;
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2 ist
eine vertikale Schnittansicht des in 1 gezeigten
Festplattenlaufwerks;
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3 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines Spindelmotors mit dynamischer Druckaufnahme für das in 2 gezeigte
Festplattenlaufwerk, für
den ein verbundener Körper
aus einer Nabe und einer Welle verwendet wird;
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4 ist
eine vertikale Schnittansicht des verbundenen Körpers aus der Nabe und der
Welle;
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5 ist
eine Seitenansicht der Welle;
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6 ist
eine vertikale Schnittansicht der Nabe;
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7 ist
eine vertikale Schnittansicht einer für den Prozeß einer plastischen Vorverbindung
verwendeten Form;
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8 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht eines verbundenen Abschnitts der Welle und der Nabe
nach Abschluß des
plastischen Vorverbindens;
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9 ist
eine vertikale Schnittansicht einer für den Prozeß des Verbindens durch plastisches
Strömen verwendeten
Form;
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10 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht des verbundenen Abschnitts der Welle und der Nabe
nach dem Abschluß des
Verbindens durch plastisches Fließen;
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11 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht einer Nut der Welle;
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12 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht einer runden Nut der Welle;
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13 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die eine Nut mit einer Rädelung
auf der Welle zeigt;
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14 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht des verbundenen Abschnitts der Welle und der Nabe,
die die Belastung nach dem Abschluß des plastischen Vorverbindens
zeigt; und
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15 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht des verbundenen Abschnitts der Welle und der Nabe,
die die Belastung nach dem Abschluß des plastischen Verbindens
zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird für
ein Verfahren zum Verbinden eines zu verbindenden Elements mit einem
weiteren zu verbindenden Element angewendet, die für eine Vorrichtung
zum Drehen des als Drehscheibe dienenden, zu verbindenden Elements
durch das als Drehwelle dienende, weitere zu verbindende Element
verwendet werden, die einstückig
miteinander verbunden sind.
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Das
Verfahren umfaßt
die Schritte
des Einsetzens des weiteren zu verbindenden Elements
in eine in dem zu verbindenden Element ausgebildete Paßbohrung
mit einem Innendurchmesser, der größer als der Außendurchmesser
des zu weiteren verbindenden Elements ist, gefolgt vom Positionieren
des weiteren zu verbindenden Elements,
des Pressens eines Abschnitts
des zu verbindenden Elements in der Nähe des Paßabschnitts des weiteren zu verbindenden
Elements mit einer zum Veranlassen einer plastischen Verformung
des Werkstoffs des zu verbindenden Elements ausreichenden Last,
gefolgt von einem plastischen Vorverbinden,
des weiteren Pressens
des Abschnitts des zu verbindenden Elements in der Nähe des Paßabschnitts
des weiteren zu verbindenden Ele ments mit einer die Elastizitätsgrenze
des Werkstoffs des zu verbindenden Elements übersteigenden Last und
des
Erzeugens einer Druckkraft in der Axialrichtung des weiteren zu
verbindenden Elements an dem Abschnitt in der Nähe des Paßabschnitts des zu verbindenden
Elements sowie
des Zulassens eines derartigen plastischen Fließens des
die Elastizitätsgrenze überschreitenden
Teils des Werkstoffs des Paßabschnitts,
daß ein
Spalt zwischen dem weiteren zu verbindenden Element und dem zu verbindenden
Element gefüllt
wird,
wodurch das weitere zu verbindende Element und das zu
verbindende Element fest einstückig
miteinander verbunden werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird auch auf einen verbundenen Körper angewendet,
der ein zu verbindendes Element und ein weiteres zu verbindendes
Element umfaßt,
die für
eine Vorrichtung zum Drehen des zu verbindenden Elements verwendet
werden, auf das Drehscheiben gestapelt sind, wobei das weitere zu
verbindende Element als einstückig
verbundene Drehwelle dient,
ein Abschnitt des weiteren zu verbindenden
Elements in der Nähe
des Einpaßabschnitts
des zu verbindenden Elements mit einer zur Erzeugung einer zum plastischen
Verformen des Werkstoffs des zu verbindenden Elements ausreichenden
Belastung ausreichenden Last gepreßt wird, worauf ein plastisches
Vorverbinden folgt,
ferner der Abschnitt des zu verbindenden
Elements in der Nähe
des Paßabschnitts
des weiteren zu verbindenden Elements mit einer Last gepreßt wird,
die die Elastizitätsgrenze
des Werkstoffs des zu verbindenden Elements übersteigt, und
an dem
Abschnitt des in der Nähe
des Paßabschnitts
zu verbindenden Elements eine Druckkraft in der Axialrichtung des
weiteren zu verbindenden Elements erzeugt wird, worauf ein derartiges
plastisches Strömen
des die Elastizitätsgrenze übersteigenden
Teils des Werkstoffs des Paßabschnitts
zugelassen wird, daß ein
Freiraum zwischen dem weiteren zu verbindenden Element und dem zu
verbindenden Element gefüllt
wird,
wodurch das zu verbindende Element und das weitere zu
verbindende Element fest einstückig
miteinander verbunden werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird ferner auf eine mechanische Vorrichtung
mit einem verbundenen Körper
angewendet, der ein zu verbindendes Element und ein weiteres zu
verbindendes Element umfaßt,
die für eine
Vorrichtung zum Drehen des zu verbindenden Elements verwendet werden,
auf das Drehscheiben gestapelt sind, wobei das weitere zu verbindende
Element als einstückig
verbundene Drehwelle dient,
ein Abschnitt des zu verbindenden
Elements in der Nähe
des Paßabschnitts
des weiteren zu verbindenden Elements gepreßt wird, um in der Nähe des Paßabschnitts
des weiteren zu verbindenden Elements ein plastisch verformtes Teil
zu erzeugen, und weiter gepreßt
wird, worauf ein Verbinden durch plastisches Strömen erfolgt.
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Die
technischen Bereiche, in denen die vorliegende Erfindung angewendet
wird, sind ein Verbindungsverfahren zum Verbinden metallischer Elemente,
wie einer Welle und einer Nabe eines Spindelmotors zur Verwendung
in einer Plattenvorrichtung, wie einem DVD- oder CD-ROM-Laufwerk eines Computers
oder dergleichen, insbesondere eines Spindelmotors mit einer dynamischen
Druckaufnahmestruktur, der ein dünner
Motor für
Festplattenlaufwerke für
einen tragbaren Personal Computer, wie ein Notebook, ist, durch
plastisches Fließen.
Zudem betrifft sie einen verbundenen Körper gemäß den
1 bis
15.
Zweckmäßiger Weise
sind in der folgenden Tabelle die Bedeutungen sämtlicher Bezugszeichen aufgelistet. Tabelle
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Das
erfindungsgemäße Verbindungsverfahren
zum Verbinden der beiden Elemente durch plastisches Fließen und
der erfindungsgemäße verbundene
Körper
sind hier beispielhaft durch einen Spindelmotor mit dynamischer
Druckaufnahme eines Festplattenlaufwerks dargestellt, für den ein
verbundener Körper
verwendet wird, der bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Nabe und eine
Welle umfaßt.
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1 ist
eine allgemeine Draufsicht eines Festplattenlaufwerks, und 2 ist
eine Schnittansicht des in 1 gezeigten
Festplattenlaufwerks.
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In
den 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 200 eine
Festplatte eines Festplattenlaufwerks, in dem der Spindelmotor 100 mit
dynamischer Druckaufnahme angeordnet ist. Eine Lesevorrichtung 300 liest
Daten von einer von dem Spindelmotor 100 mit dynamischer
Druckaufnahme drehend angetriebenen Festplatte.
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3 zeigt
den Spindelmotor mit dynamischer Druckaufnahme, für den ein
verbundener Körper
aus einer Nabe und einer Welle verwendet wird, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in dem Festplattenlaufwerk.
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Gemäß 3 ist
eine Welle 1 durch das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren einstückig mit
einer Nabe 2 verbunden. An der Nabe 2 ist ein
Magnet 13 fest befestigt. Mehrere als Speichermedien dienende
Platten 3 sind auf einen Flansch 24 der Nabe gestapelt,
wo bei Plattenabstandhalter 4 zwischen ihnen gehalten werden,
und sind durch eine Klammer 5 befestigt, die mittels einer
Schraube 6 in einem Innengewinde 32 der Welle 1 festgezogen
ist. Die Welle 1 ist drehbar in die Bohrung eines an einem
Gehäuse 7 befestigten
dynamischen Druckaufnahmemetalls 8 eingepaßt. So wird
durch die Wirkung eines durch ein in das Innere des Gehäuses gefülltes magnetisches
Fluid erzeugten, der Drehung entsprechenden, dynamischen Drucks
ein radial dynamisches Drucklager gebildet. Das Gehäuse 7 ist
fest an einer Basis 11 befestigt. Eine Schubaufnahmeplatte 10 ist
mit dem Gehäuse 7 verbunden,
wobei ein Anschlagring 12 zwischen dem dynamischen Druckaufnahmemetall 8 und
der Schubaufnahmeplatte 10 gehalten wird, wodurch ein Schublager
gebildet wird, bei dem ein kugelförmiger Kantenabschnitt 40 der
Welle 1 von einer Schubaufnahmefläche 41 gehalten wird.
Ein Treiben der Welle 1 in die Schubrichtung wird von dem
in eine Anschlagnut 41 eingepaßten Anschlagring 12 unterdrückt. Ein
gewickelter Statorkern 14 ist durch einen Klebstoff fest
mit der Basis 11 verbunden, und daher empfängt der
Magnet 13 bei einer Erregung die Drehkraft, wodurch die
Nabe 2 gedreht wird.
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Als
nächstes
werden nachstehend die Nabe 2 und die Welle 1 besprochen.
Wünschenswerter
Weise sollte die Nabe 2 als zu verbindendes Element aus
einem Werkstoff gefertigt sein, der zu einer plastischen Verformung
neigt und dessen Widerstand gegen eine Verformung geringer als bei
der als weiteres zu verbindendes Element dienenden Welle 1 ist.
Die Nabe 2 ist im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit
und die magnetischen Kennlinien hinsichtlich eines Motors aus rostfreiem
Ferritstahl, beispielsweise SUS430, gefertigt. Die Welle 1 ist
säulenförmig und
im Hinblick auf die Halteleistung aus einem martensitischen rostfreien
Stahl mit ausgezeichneter Abriebbeständigkeit bzw. Korrosionsbeständigkeit,
wie SUS440 oder SUS420 J2, gefertigt und gehärtet. An dem zu verbindenden
Abschnitt des äußeren Umfangs
in der Nähe
des einen Endes der Welle 1 ist eine kreisförmige Nut 31 ausgebildet.
Die Einzelheiten der Form der Nut werden später beschrieben.
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4 zeigt
einen verbundenen Körper
aus der Nabe und der Welle gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Gemäß 4 weist
die Welle 1 die im zu verbindenden äußeren Umfangsabschnitt in der
Nähe eines
Endes der Welle 1 ausgebildete kreisförmige Nut 31 auf und
wird mittels eines nachstehend beschriebenen und in 6 gezeigten
Verfahrens plastisch mit einer in der Nabe 2 ausgebildeten
Verbindungsbohrung 21 verbunden, die einen Durchmesser
aufweist, der größer als
der Außendurchmesser
der Welle 1 ist. Die Welle 1 und die Nabe 2 werden
durch einen ersten Prozeß,
bei dem die in 5 gezeigte Welle frei oder mit
einem Spalt in die in 6 gezeigte Nabe 2 eingepaßt wird,
worauf ein plastisches Vorverbinden folgt, und einen zweiten Prozeß zum Verbinden
durch plastisches Fließen
miteinander verbunden.
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Zunächst wird
nachstehend der erste Prozeß zum
plastischen Vorverbinden beschrieben. Die Bodenfläche 23 der
Nabe 2 wird von einem Ständer 63 gehalten,
wie in 7 gezeigt. Die Nabe 2 wird an ihrem äußeren Umfang 25 vom
inneren Umfang 62 eines Führungsrings 61 gehalten.
Anschließend
wird ein Kantenabschnitt 34 auf der Seite, auf der die
kreisförmige
Nut 31 im zu verbindenden äußeren Umfangsabschnitt der Welle 1 ausgebildet
ist, in die Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 eingesetzt
und eingepaßt.
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Hinsichtlich
der Genauigkeit der Verbindung sollte der Freiraum oder Spalt am
Paßabschnitt
zwischen der Welle 1 und der Nabe 2, d.h. der
Freiraum zwischen der Wandfläche
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 und der äußeren Umfangsfläche der
Welle 1, vor zugsweise auf einen so kleinen Wert wie 0 bis
0,02 mm eingestellt sein, wenn der Kantenabschnitt 34 der
Welle in die Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 eingesetzt ist.
Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Durchmesser
der Welle 1 auf 3.00 mm eingestellt, wogegen der Innendurchmesser
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe auf 3,01 mm eingestellt
ist.
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Auf
diese Weise wird der Kantenabschnitt 34 der Welle 1 in
die Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 eingesetzt
und eingepaßt,
während
die Bodenfläche 23 der
Nabe 2 von dem Ständer 63 gehalten
wird. Daher ist am inneren Umfang 65 des Führungsrings 61 ein
Vorverbindungsstempel 60 eingepaßt, und die Welle 1 ist in
eine im wesentlichen in der Mitte des Vorverbindungsstempels 60 ausgebildete
Führungsbohrung 64 eingepaßt, wodurch
die Welle 1 gehalten wird. Die Welle 1 wird in
der Führungsbohrung 64 des
am inneren Umfang 65 des Führungsrings 61 geführten Vorverbindungsstempels 60 gehalten,
und dann wird der Vorverbindungsstempel 60 von einem nicht
gezeigten Preßstößel in das
zu verbindende Element getrieben. Wird der Vorverbindungsstempel 60 von
dem Preßstößel vorgeschoben,
wird an der Spitze des Vorverbindungsstempels 60 ein ringartiger
Vorsprung 66 mit einer Vorsprungbreite K gebildet, durch
den der Kantenabschnitt 22 der Nabe 2 nach unten
in die Nähe
der Verbindungsbohrung 21 gepreßt wird.
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Die
Druckkraft des Vorverbindungsstempels 60 ist eine Last,
die eine zum plastischen Verformen des Werkstoffs, aus dem die Nabe 2 gefertigt
ist, ausreichende Belastung erzeugt, und eine Kraft, die einen einer Tiefe,
bei der der Paßfreiraum
zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 vertikal ausgefüllt wird,
entsprechenden Teil plastisch verformt. Der Vorverbindungsstempel 60 wird
mit der vorstehend beschriebenen Last nach unten gedrückt, und
anschließend
wird ein plastisches Fließen
des Werkstoffs in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 zugelassen,
worauf das Vorverbinden folgt. Der verbundene Abschnitt nach dem
plastischen Vorverbinden gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren ist in 8 gezeigt,
die eine vergrößerte Schnittansicht
ist.
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Nachstehend
erfolgt eine Erläuterung
des zweiten Prozesses zum Verbinden durch plastisches Fließen. Bei
dem in 9 gezeigten zweiten Prozeß wird ein vorverbundener Körper 80 aus
der Welle 1 und der Nabe 2, die einem plastischen
Vorverbinden unterzogen wurden, an der Bodenfläche 23 der Nabe 2 von
dem Ständer 63 gehalten,
und der äußere Umfang 25 der
Nabe 2 wird vom inneren Umfang 62 des Führungsrings 61 gehalten.
Dann wird die Welle 1 in einer in einem am inneren Umfang 65 des
Führungsrings 61 geführten Stempel 70 ausgebildeten
Führungsbohrung 74 gehalten.
In diesem Zustand treibt ein nicht gezeigter Preßstößel den Stempel 70 in
das verbundene Element. Wenn der Stempel 70 in das verbundene
Element gedrückt wird, übt ein ringförmiger Verbindungsvorsprung 76 Druck
auf einen Teil des Bodenabschnitts 72 einer Vorverbindungsmarkierung 71 in
der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 aus. Der ringförmige Verbindungsvorsprung 76 ist
an der Spitze des Stempels 70 vorgesehen und weist eine
Vorsprungbreite W auf, die kleiner als die Vorsprungbreite K des
Vorverbindungsvorsprungs 66 des Vorverbindungsstempels 60 ist.
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Die
Druckkraft des Stempels 70 ist eine zum Veranlassen einer
plastischen Verformung des Werkstoffs, aus dem die Nabe 2 ausgebildet
ist, ausreichende Last. Der Stempel 70 wird mit der oben
erwähnten Last
nach unten gedrückt,
und dann wird ein plastisches Fließen des Werkstoffs in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 über
den gesamten Umfang der Nut 31 zugelassen, worauf das Verbinden
folgt. Der verbundene Abschnitt nach dem Verbinden durch plastisches
Fließen
gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren ist in 10 gezeigt,
die eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht der Verbindung zeigt.
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Überdies
gilt im Hinblick auf das Erzielen einer hohen Verbindungsgenauigkeit:
je kleiner der Spalt zwischen der Führungsbohrung 64 des
Vorverbindungsstempels 60 bzw. der Führungsbohrung 74 des
Stempels 70 und der äußeren Umfangsfläche der
Welle 1 ist, desto höher
ist die erhaltene Verbindungsgenauigkeit. Wenn die Vorsprungbreite
K und die Preßtiefe
J des Vorverbindungsvorsprungs 66 des Vorverbindungsstempels 60 zu
groß sind,
wird überdies
die Last zum Veranlassen der plastischen Verformung groß, wodurch
die Genauigkeit der Nabe 2 verschlechtert wird.
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Wenn
die Vorsprungbreite W und die Preßtiefe H des Verbindungsabschnitts 76 der
Welle 70 zu groß sind,
wird zudem die Last für
das plastische Verformen groß,
und daher besteht die Wahrscheinlichkeit, daß mehr von dem Werkstoff verflüssigt wird,
als der in die Nut fließende,
wodurch die Verbindungsgenauigkeit verbessert wird. Daher werden
die Vorsprungbreite W und die Preßtiefe H entsprechend der Form
der Nut eingestellt.
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Als
nächstes
erfolgt nachstehend eine Beschreibung der Form der Nut 31 der
Welle 1. 11 zeigt ein Beispiel des Abschnitts
der Nut 31 der Welle 1. Die die Querschnittsform
der Nut 31 der Welle 1 bestimmenden Faktoren umfassen
die Nuttiefe H, die Nutbreite B, den Nutwinkel θ, die Anzahl n der Nuten und
dergleichen.
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Wenn
die Tiefe H der Nut 31 der Welle 1 zu klein ist,
kann aufgrund einer leichten plastischen Verformbarkeit beim Einwirken
einer externen Kraft in der Axialrichtung keine ausreichende Scherfestigkeit
erzielt werden. Ist dagegen die Tiefe H der Nut 31 der
Welle 1 zu groß,
fließt
unzureichend Werkstoff in die Nut, wodurch ein Spalt entsteht, durch
den die Festigkeit verschlechtert wird. Wie in 7 gezeigt,
ist die Schraubenbohrung 67 zum Anschrauben der Klammer 5 am
unteren Abschnitt der Welle 1 ausgebildet, und ferner ist
das Innengewinde 32 an der inneren Wandfläche der
Schraubenbohrung 67 der Welle 1 ausgebildet. Dementsprechend ist
die Dicke an einem Abschnitt in der Nähe des Verbindungsabschnitts
der Nabe 2 am unteren Abschnitt der Welle 1 gering.
Wird die Tiefe H der in 11 gezeigten
Nut 31 der Welle 1 vergrößert, wird daher die Festigkeit
der Welle 1 verschlechtert. Daher sollte die Nuttiefe H
der Nut 31 der Welle 1 vorzugsweise in einem Bereich
von 0,07 bis ca. 0,13 mm liegen.
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Die
Breite B der Nut 31 der Welle 1 kann entsprechend
der erforderlichen Scherfestigkeit des verbundenen Abschnitts verändert werden.
Ist die Breite jedoch zu hoch eingestellt, wird der Abstand zwischen
der Spitze des Stempels 70 und dem unteren Abschnitt der
Nut 31 der Welle 1 beim Verbinden mit der Nabe 2 groß, wodurch
der Fluidreibungsverlust des Werkstoffs in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 erhöht
wird, der in die Nut 31 der Welle 1 fließen soll.
Selbst wenn von dem Stempel 70 eine große Last auf die Nabe 2 aufgebracht
wird, kann daher die innere Belastung des Werkstoffs in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 in der Nähe
des unteren Abschnitts der Welle 1 nicht ausreichend erhöht werden,
um eine plastische Verformung zu erreichen. Daher wird die Qualität der plastischen
Verformung des Werkstoffs in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 in der Nähe
des unteren Abschnitts der Welle 1 verringert, wodurch
der Werkstoff in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 nicht ausreichend
in die Nut 31 der Welle 1 fließt. Auf diese Weise wird die
Festigkeit der Welle verschlechtert, wenn die Tiefe H der in 11 gezeigten
Nut 31 der Welle 1 vergrößert wird. Daher sollte die
Tiefe H der Nut 31 der Welle 1 vorzugsweise in einem
Bereich von ca. 0,07 bis ca. 0,13 mm liegen.
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Wie
in 11 gezeigt, ist überdies die Wahrscheinlichkeit,
daß der
Werkstoff in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 in die Nut 31 der
Welle 1 fließt,
wenn von dem Stempel 70 eine große Last auf die Nabe aufgebracht
wird, geringer, wenn der Nutwinkel θ, der den Öffnungsgrad (d.h. den Winkel)
der Nut 31 der Welle 1 repräsentiert, klein ist. Ist der Öffnungswinkel θ der Nut 31 der
Welle 1 dagegen groß,
greift der Werkstoff in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 flach, wenn
von dem Stempel eine große
Last auf die Nabe 2 aufgebracht wird, wodurch die Zugfestigkeit
gering wird. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit, daß der Werkstoff
in die Nut 31 der Welle 1 fließt, geringer, wenn der Nutwinkel θ der in 11 gezeigten
Nut 31 der Welle 1 klein ist, wogegen die Zugfestigkeit
gering wird, wenn der Nutwinkel θ der
Nut 31 der Welle 1 groß ist. Daher sollte der Nutwinkel θ der Nut 31 der
Welle 1 vorzugsweise in einem Bereich von ca. 60° bis ca.
120° liegen.
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Wenn
die Anzahl n der Nuten 31 der Welle 1 größer ist,
wird überdies
der Kontaktbereich zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 größer, wodurch
die Zugfestigkeit erhöht
wird. Ist die Anzahl n der Nuten 31 der Welle 1 groß, ist jedoch
die Wahrscheinlichkeit geringer, daß der Werkstoff in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 in die Nut 31 der Welle 1 fließt, wenn
vom Stempel 70 eine große Last auf die Nabe 2 aufgebracht
wird. Ist die Anzahl n der Nuten 31 der Welle 1 zu
groß,
wird daher die Zugfestigkeit erheblich verschlechtert. Daher ist
die Zugfestigkeit am höchsten,
wenn die die Anzahl n der Nuten 31 der Welle 1 2
beträgt. Im
Vergleich zu einem Fall, in dem n = 1 gilt, ist der Kontaktbereich
zwischen der Welle und der Nabe unter der Vorraussetzung, daß die Nutbreite
B identisch ist, größer wenn
n = 2 gilt, wodurch die Zugfestigkeit erhöht wird.
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Im übrigen muß die Querschnittsform
der Nut 31 der Welle 1 nicht dreieckig sein, wie
in 11 gezeigt. Sie kann rund sein, wie in 12 gezeigt.
Wenn eine hohe Drehmomentfestigkeit des verbundenen Abschnitts aus
dem unteren Abschnitt der Welle 1 und der Nabe 2 erforderlich
ist, kann an einem Gewinde zwischen den Nuten 31 der Welle 1 eine
Rädelung 36 ausgebildet
sein, wie in 13 gezeigt.
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Wenn
die Nut 31 der Welle 1 über den gesamten Umfang der
Welle ausgebildet ist, fließt
der Werkstoff in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 zudem gleichmäßig plastisch über den
gesamten Umfang, wenn vom Stempel 70 die große Last
auf die Nabe 2 aufgebracht wird, und ferner erfolgt auch
die Verformung unter Last gleichmäßig über den gesamten Umfang, wodurch
sowohl die Genauigkeit rechter Winkel als auch die Festigkeit verbessert
werden können.
Zudem kann die Nut 31 der Welle 1 durch Drehen
geformt werden, wodurch eine hohe Produktivität erzielt wird.
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Überdies
befindet sich die Position der Nut 31 der Welle 1 vorzugsweise
so nahe wie möglich
an einer Preßfläche 24 der
Nabe 2. Wenn die Position der Nut 31 der Welle 1 weit
von der Preßfläche 24 der
Nabe 2 entfernt ist, wird der Fluidreibungswiderstand hoch,
und daher besteht die Wahrscheinlichkeit, daß der Werkstoff in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 in die Nut 31 der Welle 1 fließt.
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Im
Hinblick darauf wird bei der vorliegenden, in 14 gezeigten,
bevorzugten Ausführungsform
der äußere Umfangsabschnitt
der Welle mit der im äußeren Umfang
der Welle 1 ausgebildeten, kreisförmigen Nut 31 frei
in die Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 eingepaßt, die
große
Last wird vom Stempel 70 auf die Nabe 2 aufge bracht,
die Nähe
der an der Endfläche
der Nabe 2 ausgebildeten Bohrung wird über den gesamten Umfang plastisch
verformt, die Welle 1 und die Verbindungsbohrung 21 der
Nabe 2 werden dergestalt einem plastischen Vorverbinden
unterzogen, daß der
Spalt gefüllt
wird, der Werkstoff in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 an der Endfläche wird nach dem plastischen
Vorverbinden der Nabe 2 in einem Zustand, in dem eine Belastung σ auf die
Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 aufgebracht wird, über den
gesamten Umfang plastisch verformt, eine Druckbelastung wird so
auf die Welle 1 aufgebracht, daß die Nut 31 der Welle 1 gefüllt wird, und
dann wird ein plastisches Fließen
des Werkstoffs in der Nähe
der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 zugelassen.
Die Scherkraft und die Verformung P des Werkstoffs in der Nähe der Verbindungsbohrung 21 der Nabe 2 unter
Last sowie die durch das plastische Vorverbinden verursachte Belastung σ werden auf
einen vom Preßabschnitt
entfernten Abschnitt aufgebracht, an dem kaum eine Verformung unter
Last erfolgt, wie in 15 gezeigt. Daher ist die Festigkeit
der Verbindung zwischen der Nabe 2 und der Welle 1 hoch.
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Im übrigen ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene,
bevorzugte Ausführungsform
beschränkt,
sondern kann auch auf das Verbinden anderer Elemente aus verschiedenen
Arten von Metallen, beispielsweise eine Welle, einen Zylinder oder
dergleichen und eine flache Platte, angewendet werden.
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Erfindungsgemäß können selbst
beim Verbinden einer dünnen
Nabe und einer Welle mit geringem Durchmesser eine ausreichende
Festigkeit und Genauigkeit erzielt werden, ohne daß ein Verbiegen
oder eine Kontamination auftreten.
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Überdies
kann die Paßgenauigkeit
vor dem Verbinden im Vergleich zum Preßpassen grob sein, mit einer
kostengünstigen
Anlage kann eine hohe Produktivität erzielt werden, und ferner
können
die Fertigungskosten verringert werden.
