Verfahren zur Herstellung einer Leichtmetall-Steilschulter-Tiefbettfelge Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Ver fahren zur Herstellung einer austauschbaren Leicht metall-Steilschulter-Tiefbettfelge für Speichenräder von schweren Motorfahrzeugen und Anhängern.
Die bisher verwendeten Steilschulter-Tiefbettfel- gen wurden aus zwei gewalzten und gerundeten Stahlprofilen hergestellt und mit einer über den gan zen Umfang verlaufenden, mechanisch stark bela steten Schweissnaht zusammengesetzt. Bei einigen Ausführungsarten wird die Schweissnaht mit dem vom Pneudruck erzeugten Reifenwanddruck beauf- schlagt. Für diese Felgen sind schon vor den eigent lichen Rundungsoperationen mehrere Walzoperatio- nen zur Herstellung des geraden Stabes erforder lich.
Es sind ferner Verfahren bekanntgeworden, welche durch Umbördeln und Pressen eines Stahl blechringes das ganze Profil aus einem Stück herzu stellen vorschlagen. Diese haben sich jedoch in der Praxis bisher nicht durchgesetzt. Für die Herstellung von Stahlfelgen zu Lastwagen sind sehr schwere und kräftige Maschinen erforderlich, um die grossen Kräfte für die Verformung und Profilierung aufzu bringen.
Für Leichtmetall-Scheibenräder von Lastwagen sind Verfahren bekanntgeworden, bei welchen durch Schmieden, Fliesspressen und Drücken eines ring förmigen Rohlinges das Felgenprofil profiliert wird. Diese haben sich jedoch in der Serienfertigung eben falls noch nicht eingeführt.
Für kleine Reifendimensionen für Velos und Mo torräder existieren 'bereits Leichtmetallfelgen mit ein fachem, symmetrischem Profil, welche durch Strang pressen erzeugt und anschliessend gerundet werden. Diese Profile besitzen jedoch sehr kleine Dimensio nen. Sie werden mit Hilfe von Drahtspeichen mit der Radnabe verbunden und sind daher für schwere Kraftfahrzeuge nicht geeignet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur -Her stellung einer austauschbaren Leichtmetall-Steilschul- ter-Tiefbettfelge für Speichenräder von schweren Motorfahrzeugen und Anhängern mit einseitigem, asymmetrischem Hohlraum auf der Felgpnfussseite.
Das Wesen der Erfindung besteht in den nach folgenden, nacheinander durchgeführten Verfahren schritten: Strangpressen eines asymmetrischen, einseitigen Hohlprofiles aus einer vergütbaren und korrosions beständigen Aluminium-Legierung, mit bombierter, konvexer Felgenschulter am Hohlraum und gegen über dem Profil der fertigen Felge weniger stark ge wölbter Felgenfuss-Kontur, wobei dessen Tiefbett boden eine Neigung von 4 aufweist, Vorrunden des Felgenprofiles in weichgeglühtem Zustande, ohne Füllung des Hohlraumes, mit gleich zeitigem Expandieren der Felge auf der Gegenseite,
so dass die Ausdehnung beider Seiten gleichzeitig während dem Runden kompensiert wird, Fertigrunden der Felge mit gleichzeitigem Ab flachen der bisher konvex gehaltenen Felgenschulter und gleichzeitiger Verformung und Durchwölbung des Felgenfusses im Sinne einer tiefern konkaven Wölbung, Querschweissen der Felge nach dem Verfahren des Elektro-Lichtbogen-Schweissens unter Schutzgas, mit abschmelzender Elektrode, und Vergüten und Kalibrieren der Felge auf Endmass durch Einlegen und Pressen der Felge in einem stu fenkegelförmigen Gesenk.
An Hand der Zeichnung soll ein Beispiel der Felge und des Fabrikationsverfahrens im Detail er läutert werden. Fig. 1 zeigt das fertiggerundete Felgenprofil im Schnitt.
Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch das ent sprechende Strangpress-Profil.
Fig. 3 zeigt zwei verschiedene Profile einer inne ren Walze in Ansicht. Das ausgezogene Profil dient zum Vorrunden, während eine Walze nach dem strichpunktierten Profil zum Fertigrunden verwendet wird.
Fig. 4 zeigt zwei verschiedene Profile der äusseren Walzen. Die ausgezogene Kontur dient zum Vor runden, während eine Walze nach der strichpunk tierten Kontur für das Fertigrunden verwendet wird.
Fig.5 zeigt eine schematisierte Darstellung des Rundens der Felgengegenseite, mit zusätzlicher 10ö iger Ausdehnung der Flanke der Gegenseite, entsprechend der durch den Hohlraum automatisch erhöhten Ausdehnung der Felgenschulter-Fussseite. Fig. 6 zeigt einen Schweisskeil im Aufriss.
Fig. 7 zeigt denselben im Schnitt.
Fig. 8 zeigt die Schweissunterlage in perspektivi scher Darstellung.
Fig. 9 zeigt das Kalibrieren der Felge in einem stufenkegelförmigen Gesenk im Schnitt.
Fig. 10 zeigt eine konventionelle Kalibrier-Vor- richtung für ein zylindrisches Tiefbett, als Vergleich, im Schnitt.
Fig. 11 zeigt einen horizontalen Schnitt durch obige Kalibriervorrichtung.
Fig.12 zeigt in perspektivischer Darstellung einen zu einer Spirale aufgewickelten Pressstab.
Zur Klarstellung gewisser Definitionen sollen an hand des fertigen Felgenprofiles nach Fig. 1 die Be griffe erläutert werden: Es handelt sich um eine sogenannte Steilschulter- Tiefbettfelge, vorzugsweise für schlauchlose Berei fung. Diese besteht aus zwei niedrigen, seitlichen Hörnern 1 und 2 mit daran anschliessenden Felgen schultern 3 und 4 mit etwa 15 Neigung. Auf diesen Felgenschultern 3 und 4 kann der Reifenfuss eines schlauchlosen Reifens sehr straff verspannt werden. Zwischen den beiden Felgenschultern 3 und 4 befin det sich das Tiefbett 5, welches die Montage des Rei- fens erlaubt.
Die Felge wird mit Hilfe einer seitlich angeord neten, kegelförmigen Spannfläche 6 von 28 Kegel winkel auf den Speichenköpfen eines Radsternes satt verspannt und befestigt. Die 28 -Spannfläche 6 ist am sogenannten Felgenfuss vorhanden. Alle Teile, welche sich auf der Fussseite des Tiefbettes 5 befin den, werden mit Felgenfussseite bezeichnet, wäh rend die Felgenteile auf der andern Seite des Tief bettes 5 mit Felgengegenseite bezeichnet werden.
Der Boden des Tiefbettes 5 besitzt eine Kegel neigung von 4 , welche durch den Winkel 7 angege ben ist. 'Über dem Felgenfuss 6 und unterhalb der Felgenschulter 3 befindet sich ein Hohlraum 11, dessen Wandungen dieser Felge eine besonders hohe Gestaltfestigkeit verleihen. Da bei Speichenrädern sehr oft die Spannkräfte zur Erzeugung eines aus- reichenden Reibschlusses zwischen Speichenradstern und Felge auf der Spannfläche 6 sehr hoch sein kön nen, ist es auch aus Festigkeitsgründen absolut am Platz, die Felgenfussseite mit einem versteifenden Hohlraum 11 zu versehen, während die Felgengegen seite mit einer einfachen Felgenschulter 4, ohne Hohlraum, ausgebildet werden kann.
Die wichtigsten Masse des äusseren Felgenpro files, vor allem der Felgenschultern 3 und 4 und des Felgenfusses 6, sind genormt. Die Masstoleranzen sind relativ eng. Für bearbeitete Felgen bestehen keine Schwierigkeiten, diese zu erreichen. Für unbe arbeitete Felgen müssen diese Toleranzen als sehr eng 'bezeichnet werden. Die mechanische Bearbeitung von Felgen ergibt jedoch in jedem Falle sehr teure Operationen.
Es wäre als ganz wesentliche Erleichterung des Fabrikationsverfahrens zu betrachten, wenn die Felge nach Fig. 1 mit den teilweise normalisierten Formen und Dimensionen schon im Strangpressprofil geome trisch genau erzeugt werden könnte und anschliessend in wenigen Rundungsoperationen zu einer Felge ge rundet würde. Leider ist dies jedoch nicht möglich.
Beim Runden eines solchen asymmetrischen und rohrförmigen Profiles stellen sich zwei Hauptschwie rigkeiten ein: 1. Einknicken der Wandungen 3, 6 und 8 des Hohl raumes; 2. Kleinere Ausdehnung der Schulter 4 (Gegenseite) gegenüber der Schulter 3 (Fussseite). Letztere wird als äussere Wand eines Hohlraumes stärker ge dehnt, weil das Fussprofil sich einer Kompression stärker widersetzt. In der Technologie der Leichtmetallrohre und der Leichtmetallstrangpressprofile mit Hohlraum sind Rundungsoperationen bisher immer mit einer Fül lung, beispielsweise aus Sand, Kollophonium, Wood's-Metall oder Eis durchgeführt worden, um das Einknicken der Wandungen zu vermeiden.
Dieses Abfüllen mit Füllstoff ist sehr umständlich und kom pliziert, besonders dann, wenn die Rundungsopera- tionen gewisse Genauigkeitsansprüche erfordern. Beim Abschneiden der Stabenden und Nachkalibrie- ren muss jeweils die Füllung nachgefüllt und nach gestopft werden. Bei allfälligen spätern Schweissun- gen wird die Qualität derselben durch Rückstände des Füllmaterials gefährdet und herabgesetzt.
Um das Einknicken der Wandungen auch ohne Füllung des Hohlraumes zu vermeiden, ist es er forderlich, dem geraden Stab ein Pressprofil nach Fig. 2 zu geben. Bei diesem besitzt die Fussseite zwi schen Felgenfuss 26 und Horn 21 eine grössere Pro filhöhe 22. Die Felgenschulter 23 der Fussseite ist konvex ausgebildet, während die Felgenschulter 24 eben mit einem Winkel von 16 gestaltet ist. Der Felgenfuss 26 ist weniger stark konkav ausgebildet als am fertigen Profil nach Fig. 1, das heisst, dessen Radius ist grösser und schmiegt sich an die Kontur der Tiefbettwandung 25 an. Dasselbe gilt auch für die seitliche Stützwand 28 des Hohlraumes.
Ein Felgenstabprofil gemäss Fig. 2 wird aus einer vergütbaren und korrosionsbeständigen Aluminium- Legierung der Gattung A1 1,5 Si, 1 Mg (ASA Stan dards 6051/6351) stranggepresst. Es ist als Press- profil stark asymmetrisch. Wenn nötig, muss das Profil nach dem Pressen noch weichgeglüht werden; in den meisten Fällen wird dies jedoch nicht erfor derlich sein.
Anschliessend wird der Pressstab auf Felgenumfangslänge + 5 % zerschnitten. Dank der Verwendung eines Stabprofiles nach Fig. 2 kann die Felge ohne jegliche Füllung des Hohlraumes folgen derweise in zwei Operationen gerundet werden: Die erste Operation bzw. das Vorrunden erfolgt mit zwei äusseren Rollen 42 nach Fig. 4, ausgezogene Kontur 43, und einer inneren Walze 31 nach Fig. 3, ebenfalls nach der ausgezogenen Kontur 33. Die der Felgenschulter 23 (Fussseite) entsprechende Partie 43 ist konkav ausgebildet.
Aus diesem Grunde de formiert sich die Fussseite nur wenig und vermeidet jegliches Einknicken der äusseren und inneren Wan dungen des Hohlraumes. Die konvexe Felgenschul ter 23 wird bis auf weiteres noch beibehalten.
Beim Vorrunden wird ferner mit Hilfe der inne ren Rolle 31 nach Fig. 3 (ausgezogene Kontur 33), welche einen Felgenschulter-Winkel 34 von etwa 25 aufweist, die notwendige zusätzliche Expansion der Felgenschulter 24 erzielt. Die entsprechende Kon tur 44 der äussern Rolle 42 behält die 15 Schulter neigung auf der Gegenseite bei. Diese Expansion der Felgenschulter 24 ist in der Fig. 5 in Ansicht sche matisch dargestellt.
Diese zusätzliche Expansion der Felgengegenseite (Fig.2) ist nötig, um die starke Ausdehnung beim Runden der Felgenfussseite zu kompensieren: Der Felgenfuss 26 widersetzt sich einer Stauchung beim Runden, so dass die Felgen schulter 23 wesentlich stärker gedehnt würde als die Felgenschulter 24 der Gegenseite.
Anschliessend wird die vorgerundete Felge auf die Umfangslänge zugeschnitten. In der nächsten Operation wird die Felge fertiggerundet, mit Walzen nach Fig. 3 und 4 (strichpunktierte Kontur 35 bzw. 45). Dabei wird die Felgenschulter 3 (Fig. 1) abge flacht und gleichzeitig der Felgenfuss 6 am Hohlprofil zum fertig konkav gewölbten und genormten Felgen profil 9 nach Fig. 1 verformt.
Die nächste Operation ist das Zuschneiden der Umfangslänge nach Lehre, abzüglich der Schweiss nahtbreite. Alsdann werden zwei Entlüftungslöcher am Steg 8 des Hohlraumes 11 gebohrt und das Ven tilloch im Tiefbettboden 5 auf der Gegenseite der Felgenschweissstelle angebracht. Die Entlüftungsboh rungen dienen dazu, allfällige Schäden beim Schwei ssen (Wegblasen des Argon-Stromes) bei Warmbe- handlungsprozessen und durch Expandieren von Ga sen zu vermeiden. Sie werden zum Schluss wieder ver schlossen.
Vor dem Schweissen wird ein beidseitig kegel förmiger Schweisskeil 61, gemäss Fig. 6 und 7, in die Stossfläche des Hohlraumes 11 (Fig. 1) eingelegt. Ein allfälliger Aufguss 62 des Zentrierkeiles 61 wird als Halter zum Einstellen verwendet und später abge brochen. Das Querschweissen der Stossnaht wird mit Hilfe des sogenannten Sigma-Schweissverfahrens, das heisst mit elektrischer Lichtbogenschweissung, unter Schutzgas mit abschmelzender Elektrode, durchge führt.
Der Schweissdraht soll zur Verfeinerung des Gefüges aus einer vergütbaren Legierung mit etwa 4 % Silizium und 1 % Magnesium hergestellt sein. Die Härte dieser Gusslegierung in vergütbarem Zu stande ist mit derjenigen der Felgenlegierung ver gleichbar. Die Schweissung erfolgt ohne Wurzel schweissung, dank Verwendung eines profilierten Cu-Blockes 81 nach Fig.8 als Schweissunterlage, welcher unter der Schweissnaht eine Nute 82 aufweist. Die Spaltbreite 83 und die Breite der Schweissnute 82 werden durch die Breite 71 des eingelegten und federnd verspannten Schweisskeiles bzw.
Zentrier keiles 61 nach Fig. 7 bestimmt.
Der Schweisskeil hat neben seiner .Zentrierfunk- tion noch die Aufgabe, Kerbstellen im Innern des Hohlraumes, das heisst an der Wurzel der Schweiss naht, zu vermeiden. Ohne Verwendung eines Schweiss keiles besteht die Gefahr, dass die Tiefe der Schweiss naht ungleichmässig wird und dass sich zwischen der zylindrischen, parallelen Wand des Schweissspaltes und der V-förmigen Schweisszone eine sehr spitze Kerbe ausbilden kann.
Der Schweisskeil 61 erlaubt ferner das Schweissen mit hoher Stromstärke, ohne gefährliches Einschmel zen der Hohlraum-Wandungen. Anschliessend werden noch die sogenannten Felgenanschläge angeschweisst.
Die fertig gerundete und geschweisste Felge wird vergütet, indem sie 15 Minuten im Ofen auf 535 bis 540 C gehalten wird. Das Abschrecken erfolgt im Wasser von 20 10 C. Wie jedes ringförmige Werkstück mit relativ kompliziertem Profil ist die Felge infolge Verformung beim Schweissen oder Vergütungsglühen und ebenso auch um alle kleinen Rundungsfehler zu eliminieren, zu kalibrieren. Es erfolgt dies am vorteilhaftesten sofort nach der Glü- hung.
Das Kalibrieren, unmittelbar nach dem Vergüten, erfolgt auf einem stufenkegelförmigen Gesenk 91 ohne radiale Teilung mit kegeliger Tiefbettpartie 95 nach Fig. 9 sofort nach dem Abschrecken, das heisst, währenddem das Material sich noch im weichgeglüh- ten Zustande befindet. Das anschliessende Aushärten dauert 8 bis 10 Stunden im Ofen, bei 155 bis 160 C. Wenn nötig, kann die Felge noch gebeitzt werden in 10%iger Kalium-Bisulfat-Lösung.
Ein wichtiger Punkt des Verfahrens ist die Aus wahl der Legierung, welche im weichgeglühten Zu stande sehr kleine mechanische Festigkeitswerte besitzt gegenüber denjenigen im vergüteten Zustande. Dieser grosse Unterschied der mechanischen Eigenschaften erlaubt das Runden mit billigen Maschinen kleinster Leistung und zum Schluss das Kahbrieren in einer 50- bis 60-t-Presse, was vergleichsweise zu den für Stahlfelgen erforderlichen Kräften nur einen Bruch teil darstellt.
Die mechanischen Festigkeitswerte der oben angegebenen Legierung betragen:
EMI0004.0003
weichgeglüht <SEP> vergütet
<tb> o, <SEP> (Streckgrenze) <SEP> 4-8 <SEP> kg/mm2 <SEP> 27-38 <SEP> kg/mm2
<tb> aB <SEP> (Zugfestigkeit) <SEP> 10-12 <SEP> kg/mm2 <SEP> 32-42 <SEP> kg/mm2
<tb> Dehnung <SEP> <B>30%</B> <SEP> _ <SEP> 10-12
<tb> Brinellhärte <SEP> 35 <SEP> kg/mm2 <SEP> 110 <SEP> kg/mm2 Durch die Wahl dieser Verfahrensschritte werden gegenüber den bisher üblichen Felgenherstellmetho- den verschiedene Vorteile gewonnen:
Dank der Verwendung einer Legierung mit klei nen Festigkeitswerten im weichgeglühten Zustande können die Rundungsoperationen und das Kalibrie ren, das heisst sämtliche verformenden Operationen, mit sehr kleinen, billigen Werkzeugen und Maschinen durchgeführt werden.
Der kegelförmige Boden im Tiefbett ermöglicht das Kahbrieren der Felge durch Expansion in einem einfachen, stufenkegelförmigen Gesenk 91 nach Fig. 9. Die sonst üblichen, teuren, in viele Sektoren unterteilten Kalibriergesenke für zylindrische Tief bettböden 105 nach Fig. 10 (Aufriss) und Fig. 11 (Horizontalschnitt), welche keilförmig radial expan dieren, werden damit überflüssig. Eine spanabhe bende Bearbeitung der Felge kann unterbleiben.
Durch das Felgenprofil mit Hohlraum (Hohlpro fil) wird mit kleinem Felgengewicht und geringem Materialverbrauch eine wesentlich höhere Gestalt festigkeit erzielt.
Dank den bombierten Wandungen des strang- gepressten Stabprofiles und des Felgenhohlraumes können die Rundungsoperationen ohne jegliche Fül lung durchgeführt werden. Das Abfüllen von Hohl profilen und Rohren mit Hilfe von Sand, Kollopho- nium, Wood's-Metall, Eis usw., ist eine sehr kompli zierte Operation, welche viel Zeit in Anspruch nimmt, ganz besonders dort, wo die Stabenden von Zeit zu Zeit wieder gekürzt, geöffnet und nachge stopft und wiederum verschlossen werden müssen.
Dank dem füllungsfreien Runden wird dazu vermie den, dass Füllmaterialreste in die Schweissnaht ein dringen und diese verunreinigen.
Das elektrische Lichtbogenquerschweissen der Felge nach dem Verfahren mit Schutzgas (zum Bei spiel Argon) und abschmelzender Elektrode bedingt einfache Vorrichtungen und kleinen betrieblichen Aufwand. Das hierfür sonst übliche Widerstands- Stumpfschweissen bedingt bei Leichtmetall-Quer- schnitten, wie sie hier vorkommen, sehr grosse Strom stärken.
Das angewendete Verfahren hat ferner ge- gegenüber dem Widerstands-Stumpfschweissen den Vorteil, dass keine Spritzer von oxydiertem Metall und halberstarrten Tropfen in die gegenüberliegende Wandung der Felge eingeschmolzen und eingespritzt werden, wie dies beim Widerstands-Stumpfschwei- ssen von Rohren immer der Fall ist. Das angewendete Verfahren vermeidet ferner lose, eingeschlossene Metalltropfen im Innern des Hohlraumes.
Durch Verwendung einer Schweissunterlage aus reinem Kupfer, mit einer Nute unter der Schweiss naht, können bei diesem Verfahren sehr hohe Strom stärken angewendet werden, und die Schweisszeit auf ein Minimum (etwa 5 Minuten) reduziert wer den. Mit dieser Vorrichtung gemäss Fig.8 ist es möglich, die Schweissung bis zu 12 mm Wandstärke ohne Wurzelschweissung vorzunehmen.
Das beidseitig konische Einsatzstück zum Zen trieren der Schweissnaht erleichtert die Einstellung der Felge auf genaue Umfangslänge und sorgt dafür, dass an der inneren Seite der Schweissnaht keine Kerbe entstehen kann. Dank der Verwendung einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung mit 1,5 Si und 1 % Mg kann die Felge ohne jeglichen Schutz überzug in Betrieb genommen werden.
Das Vorrunden der Felge kann gemäss Fig. 12 auch mit Hilfe eines längeren Pressstabes von zum Beispiel zehnfacher Felgenlänge kontinuierlich zu einer Spirale 121 erfolgen. Diese wird anschliessend in verschränkte Ringe zerschnitten und diese einzeln zur Felge fertiggerundet. Obige Operationen können nur ohne Füllung des Hohlraumes durchgeführt wer den.