CN106604789B - 用于制造实心的金属复合构件的方法和由此制造的实心的金属复合构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造实心的金属复合构件(300)的方法，所述方法包括：‑提供金属的第一型坯(210)和金属的第二型坯(220)；‑将第一型坯(210)布置在第一固持装置(110)上，并且将第二型坯(220)布置在与第一固持装置(110)相对置的第二固持装置(120)上；‑摩擦焊接型坯(210、220)，为此，第一固持装置(110)实施被驱动的旋转运动(U)，并且第二固持装置(120)可自由旋转地朝第一固持装置(110)的方向实施进给运动，由此型坯(210、220)在它们的接触面上被塑化并且最终通过摩擦焊接连接部(230)相接合，并且‑使通过摩擦焊接连接部(230)相接合的型坯(210、220)变形，为此，第二固持装置(120)继续实施进给运动(V)，并且第一固持装置(110)和/或第二固持装置(120)设计具有形状给定的轮廓(115、125)。本发明还涉及由该方法制成的复合构件，其中尤其涉及传动系构件或变速器构件。

Description

用于制造实心的金属复合构件的方法和由此制造的实心的金 属复合构件
本发明涉及一种用于制造实心的金属复合构件的方法以及由此制造的实心的金属复合构件。
所涉及的实心的金属复合构件尤其是用于机动车的传动系构件或用于车辆变速器的变速器构件。这种传动系构件或变速器构件迄今一件式地(作为一个零件)至少通过金属型坯的变形(例如锻造)或多件式地、也即通过多个预制金属零件的接合(例如通过铆接、焊接、粘接)制成。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于制造这种构件的方法。
所述技术问题通过一种用于制造实心的金属复合构件的方法解决。本发明还拓展至由本发明的方法制造的实心的金属复合构件。
根据本发明的用于制造实心的金属复合构件的方法包括如下按时间顺序实施的步骤：
-提供金属的第一型坯和金属的第二型坯；
-将第一型坯布置在第一固持装置上，并且将第二型坯布置在与所述第一固持装置相对置的第二固持装置上；
-摩擦焊接型坯，为此，第一固持装置(连同被容纳的第一型坯)实施被驱动的旋转运动，并且第二固持装置(连同被容纳的第二型坯)可自由旋转地朝第一固持装置的方向实施(线性的)进给运动，由此型坯在不断增大的压力下相互摩擦，直至达到同步转速，由此在它们的接触面上(被加热并且)被塑化并且最终通过摩擦焊接连接部相接合，并且
-使通过摩擦焊接连接部相接合的型坯(或者说通过摩擦焊接构成的型坯复合体)变形，为此，第二固持装置(朝第一固持装置的方向)、尤其在继续旋转的情况下继续实施进给运动，并且第一固持装置和/或第二固持装置设计具有形状给定或形状预设的轮廓，其中，所述变形至少部分包括两个型坯并且还包含摩擦焊接连接部。
优选地，第二固持装置在摩擦焊接过程中和变形过程中实施持续的、也即无中断的或者说无间歇的进给运动。
根据本发明的方法由此在一个工序或加工过程中包含多个工作步骤，其中包括摩擦焊或者说摩擦焊接和尤其立即的或者说紧接着进行的变形，其中，摩擦焊接和变形在进给运动的过程中实施。进给运动尤其由挤压装置或挤压机产生，从而在一个工作行程或挤压行程中在不需变换工件的情况下实施所述的工作步骤。显然，摩擦焊接在根据本发明的方法的范畴内也可以在简单的逆向运动的过程中完成。
根据本发明的方法实现了过程可靠且成本降低地以相对较短的时间周期制造实心的金属复合构件，并且由此尤其适用于经济的批量制造。实心的金属复合构件尤其是指原本由两个金属型坯(基于在摩擦焊时所要求的焊接质量)预制的一件式的构件，所述金属型坯可靠地承受负荷地、材料接合地连接。在一种优选实施方式中，复合构件可以进行在承受负荷、重量或成本方面的优化。
根据本发明制造的实心的金属复合构件尤其是用于机动车的传动系构件、例如法兰轴或用于车辆的变速器构件、例如齿轮。这种复合构件由(至少)两个相互摩擦焊接的且(能直接在接合面上)变形的金属型坯制成。特别优选地，例如涉及钢-钢复合构件、铝-铝复合构件或钢-铝复合构件或杂化构件。
按照本发明，相互摩擦焊接的型坯在固持装置之间产生的变形至少部分地在两个型坯上延伸，并且还包括摩擦焊接区或者说摩擦焊区，从而使摩擦焊接连接或摩擦焊接区随之一起变形。尤其克服在摩擦焊接时可能由变形造成的焊缝鼓起。
所提供的型坯设计为实心柱形和/或环形、尤其管状。其涉及未加工的杆部段(也即由杆状半成品通过锯断或剪断所形成的杆区段)。优选地，所述型坯具有圆形横截面并且尤其还能够设计具有不同的直径。
特别优选地规定，所述型坯由不同的材料、例如由不同的钢材类型或钢材品质、或者由不同的铝材类型或铝材品质、尤其由种类不同的(也即由不同类别的)材料构成，例如由钢和铝制成。根据本发明的方法由此还实现了由种类不同的材料构成的杂化构件的制造，所述杂化构件例如由钢和铝形成。由此可以制成特别符合负载要求的和/或重量优化的构件和尤其轻质构件。在使用种类不同的材料时带来了摩擦焊的卓越优点，也即不同材料相互焊接的可能性，否则所述不同材料是通过其他方法几乎不能相互焊接的。
所提供的型坯可以具有室温。然而优选地规定，至少一个型坯和尤其两个型坯以加热的状态被提供。如果两个型坯以加热的状态被提供，则所述两个型坯可以具有相同的温度或不同的温度。
摩擦焊接的型坯的变形可以是传统的，例如通过锻造或固持装置(所述固持装置为此以合适的方式设计为模具)之间的冲压完成。然而优选地规定，所述变形借助累加的变形方式、尤其借助旋转锻造或备选地借助摆动变形完成。累加的变形方式(在此涉及实心加工成型法)的特征主要在于，处在固持装置(所述固持装置为此以合适的方式设计为模具)之间的摩擦焊接的型坯基于特殊的过程控制仅按顺序地或者说逐渐地在各个属于变形区的区域中发生变形。其余的参照相同申请人的申请DE 10 2012 017 525 A1的特别详细的描述和相应的专业文献。
累加的变形的优点在于模具的相对简单的结构(所述模具尤其还不需要加热；也即尤其对于轻质金属来说不需要绝热变形)和与其他变形方法相比明显更低的动力需求。此外，即使在相对较低的温度下(也即型坯不必加热或仅需加热到相对较低的温度；例如对钢型坯来说仅加热至400℃至600℃并且对于铝型坯来说仅加热至200℃至300℃)也能实现高变形度(优选具有大的横截面变化)。累加的变形还能够实现镁材料的变形，从而至少能够构成由镁制成的型坯。
累加的变形的其他优点尤其在制造由钢型坯和铝型坯制成的杂化构件时示出。在传统的用于杂化锻造钢和铝的变形方法中，必须通过复杂的加热方案和过程控制针对不同材料实现不同的加热温度(对于钢来说为了实现良好的可变形性而加热至1000℃以上，并且对于铝来说因为熔化的风险而加热至不高于500℃)。然而在累加的或者部分的变形中，不需要不同材料的不同的加热温度或变形温度，因此所提供的型坯可以具有大致相同的温度。
优选地规定，为了相互摩擦焊接的型坯的累加的变形，使用旋转锻造成型设备(或作为备选的摆动变形设备)，例如在文献DE 10 2012 017 525 A1中所示和所述的方法，其中，以上所述的型坯的摩擦焊接在所述旋转锻造成型设备中或者利用所述旋转锻造成型设备实施，如以下借助附图所详细阐述的。由此根据本发明的方法还可以理解为优化的旋转锻造过程，其中，在一个加工行程或挤压行程(不需变换工件)中，首先将两个型坯通过摩擦焊接相接合，并且随后累加地变形为复合或杂化构件。过程控制是简单、不复杂、可靠、成本低廉且经济的。
以下例如结合附图详细描述本发明的特别优选的实施方式。图中所示和/或以下所阐述的技术特征可以单独地或以组合方式改进本发明的技术方案，并且也可以从上位的技术特征组合中剔除。在附图中：
图1以多个单独视图示意性地示出根据本发明的用于制造构成为复合构件的实心的金属法兰轴的流程。
图1a示出旋转锻造成型设备100，其具有构成为锻模的模具底部件110(第一固持装置)和构成为冲头的模具上部件120(第二固持装置)。旋转锻造成型设备100安装在未示出的旋转锻造挤压机或类似装置中。所述模具110/120的所示的竖向布置仅为示例性的。
为了制造在图1d中所示的变速器法兰轴300，提供了由钢构成的第一型坯210和由铝构成的第二型坯220并且布置在锻模110以及在冲头120上，如图1a所示。所述型坯210/220的布置和置入优选自动地完成。冲头120设计带有合适的工件固持件。型坯210/220可以被加热。
随后第一型坯210和第二型坯220摩擦焊接，为此，模具底部件110连同第一型坯210一起进行由旋转锻造挤压机产生的旋转运动U1，其中，可以设置高达每分钟数百转。同时，未被驱动的且可自由旋转的模具上部件120连同第二型坯220朝旋转的模具底部件110运动(根据图示向下运动)。由旋转锻造挤压机形成的进给运动以箭头V表示。型坯210和220在不断增大的压力下相互摩擦，由此模具上部件120旋转加速直至达到同步转速(U2＝U1)，如图1b所述。(有时模具上部件120可能还首先固定或制动。)型坯210/220在某种程度上构成模具部件110/120之间的摩擦耦连，并且通过摩擦力R在其相互接触的接触面上被加热并塑化，并且最终通过摩擦焊接连接部230材料接合而无形状配合地接合。
通过模具上部件120的连续进行的进给运动V则使得两个在摩擦焊接区230中借助摩擦焊接相接合的型坯或者说型坯复合件210/220在保持转速U3的情况下通过旋转锻造累加地变形，其中，逐渐并且同时形成通过锻模轮廓115所预设的外轮廓和通过冲头轮廓125所预设的内轮廓。而且摩擦焊接区230在此也变形。
为了实现连续的旋转锻造变形，模具上部件120以已知方式倾斜(倾斜位置角或者说倾斜角例如不大于6°，其中，倾斜可以是固定的或变化的)，并且通过模具底部件110被带动旋转或通过旋转锻造挤压机同步驱动。在旋转锻造挤压机中的同步转速U3可以相当于摩擦焊接时的转速U1，然而也可以为摩擦焊接和为旋转锻造设置不同的转速。
在旋转锻造变形结束后，模具上部件120可以向上(-V)运行并且取出制成的法兰轴300，这尤其自动完成。制成的法兰轴300是一件式的杂化构件，所述杂化构件具有由钢构成的轴部段310和由铝构成的法兰或者说法兰部段320，在所述轴部段上随后安置例如外插接齿部312(其中，优选外插接齿部312也可以直接在之前的旋转锻造中形成)。与完全由钢构成的法兰轴相比，根据本发明的构成为杂化构件的法兰轴300在至少相同的强度和可负载性的情况下具有明显更低的重量和旋转质量。
附图标记清单
100 旋转锻造成型设备(旋转锻造模具)
110 锻模(模具底部件)
115 锻模轮廓
120 冲头(模具上部件)
125 冲头轮廓
210 第一型坯(坯件)
220 第二型坯(坯件)
230 摩擦焊接区、摩擦焊接连接部
300 变速器法兰轴
310 轴部段
312 外插接齿部
320 法兰部段
R 摩擦
U1 回转，旋转
U2 回转，旋转
U3 回转，旋转
V 进给运动
a 倾斜角

Claims (9)

1.一种用于制造实心的金属复合构件(300)的方法，所述方法包括：
-提供金属的第一型坯(210)和金属的第二型坯(220)；
-将第一型坯(210)布置在第一固持装置(110)上，并且将第二型坯(220)布置在与所述第一固持装置(110)相对置的第二固持装置(120)上；
-摩擦焊接型坯(210、220)，为此，第一固持装置(110)实施被驱动的旋转运动(U1)，并且第二固持装置(120)可自由旋转地朝第一固持装置(110)的方向实施进给运动，由此型坯(210、220)在不断增大的压力下相互摩擦(R)，直至达到同步转速(U1＝U2)，由此在它们的接触面上被塑化并且最终通过摩擦焊接连接部(230)相接合，并且
-使通过摩擦焊接连接部(230)相接合的型坯(210、220)变形，为此，第二固持装置(120)继续实施进给运动(V)，并且第一固持装置(110)和/或第二固持装置(120)设计具有形状给定的轮廓(115、125)，其特征在于，所述变形至少部分包括两个型坯(210、220)并且还包含摩擦焊接连接部(230)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二固持装置(120)实施持续的进给运动(V)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述型坯(210、220)设计为实心柱形和/或环形。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述型坯(210、220)由不同的材料构成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个型坯(210、220)以加热状态被提供。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述变形借助累加的变形方式完成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了变形使用旋转锻造成型设备(100)，在所述旋转锻造成型设备(100)中还实施型坯(210、220)的摩擦焊接。
8.一种实心的金属复合构件，其根据上述权利要求中任一项所述的方法由两个相互摩擦焊接且变形的金属型坯(210、220)制成。
9.根据权利要求8所述的实心的金属复合构件，所述金属复合构件构造为铝-钢杂化构件并且设计为变速器齿轮或变速器法兰轴(300)。
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