DE102007036629B3

DE102007036629B3 - Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss

Info

Publication number: DE102007036629B3
Application number: DE200710036629
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Dr.-Ing. Garzke
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2027-08-02

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss beschrieben, wobei ein Außenteil (2) mit Spiel über ein hohlrohrförmiges Innenteil (1) aufgeschoben und dort lagegenau positioniert ist. Das Innenteil wird dabei zumindest im Fügeabschnitt vom Außenteil umfänglich umschlossen. Zur Herstellung der Fügeverbindung erfolgt die radiale Aufweitung von Innen- und Außenteil nach dem Innenhochdruckverfahren, wobei das plastisch aufgeweitete Innenteil (1) mit dem elastisch aufgeweiteten Außenteil (2) eine Pressverbindung eingeht. Über den Umfang des Außenteiles sind im Fügeabschnitt erfindungsgemäß verteilt angeordnete Elemente zum partiellen Niederhalten der radialen Aufweitung der beiden Bauteile vorgesehen, wobei diese Elemente (9) zum Niederhalten am Außenteil starr anliegen. Auf diese Weise wird die kraftschlüssige Verbindung der Fügeteile durch einen formschlüssigen Anteil noch verstärkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss mittels fluiden Innenhochdruck.
Es ist bekannt, insbesondere rohrförmige Bauteile, wie Hohlwellen oder dergleichen als Innenteil mit darauf aufgeschobenen Elementen, wie Nocken, Naben oder sonstigen kreissymmetrischen Maschinenelementen als Außenteil, lagegenau nach dem Verfahren des Innenhochdruckfügens (IHF) zu verbinden. Zur Herstellung der Fügeverbindung wird in die Hohlwelle ein mit Axial- und Radialbohrungen versehenes Sondenwerkzeug eingebracht und durch diese Bohrungen der Innenraum der Welle mit einem unter hohem Druck stehenden Wirkfluid aus einer externen Druckerzeugungsanlage beaufschlagt.
Während des ersten Verfahrensschrittes ist im Fügebereich zwischen dem Innenteil und dem Außenteil noch ein gewisses Spiel vorhanden, wodurch ein kraftarmes Ineinanderfügen der beiden Bauteile gewährleistet wird. Sind beide Teile axial zueinander positioniert, erfolgt die Druckeinleitung in das Innenteil, welches dadurch eine plastische radiale Aufweitung erfährt und sich flächig an die Innenkontur des Außenteils anlegt, wobei auch das Außenteil bei entsprechender Materialwahl elastisch aufgeweitet wird. Beim Druckabbau federt dann das Außenteil bis zu einem gewissen Grad zurück. Durch geeignete Abstimmungen der Streckgrenzen von Innen- und Außenteil entsteht zwischen beiden Bauteilen eine feste, kraftschlüssige sogenannte Pressverbindung.
Auch als Welle-Nabe-Verbindung bekannt, gelangen solche Bauteile vor allem zur Drehmomentübertragung oder zum Einleiten von Axialkräften in Achsen und dergleichen zur Anwendung.
Die Festigkeit bzw. Haltekraft dieser Art von Fügeverbindung kann zudem durch entsprechende Materialpaarungen sowie Formgebungen der Bauteile in weiten Grenzen eingestellt werden. Ein Hauptanwendungsgebiet ist mit bspw. mehreren Millionen verbauter Welle-Nabe-Verbindungen die Getriebetechnik.
Ein Verfahren zum Innenhochdruckfügen beschreibt beispielsweise die Druckschrift DE 19802484 C2 . Dort ist es, zusammen mit der hierfür entwickelten Vorrichtung, für die Fertigung von gebauten Nockenwellen vorgesehen. Der Innenhochdruck wird gezielt lediglich im Fügebereich von Hohlwelle und Nocken aufgebaut und hierzu die Sonde mit ihren entsprechend angeordneten Druckkanälen in vorgewählter Lage in der Hohlwelle positioniert. Damit aber das Aufweiten der Bauteile nur abschnittsweise und ausschließlich innerhalb dieses Fügebe reiches erfolgt, sind beiderseitig des Bohrungsaustrittes der Radialbohrungen am Sondenumfang ringförmig angeordnete Radialdichtungen vorgesehen, welche das Entstehen des Innenhochdruckes ausschließlich im Aufweitraum zwischen den axial beabstandeten Radialdichtungen zulassen. Letztlich soll durch das Verfahren zum partiellen hydraulischen Aufweiten nach DE 19802484 C2 die mechanische Beanspruchbarkeit der Hohlwelle-Nocken-Verbindung und damit deren Betriebssicherheit selbst unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen wesentlich verbessert werden.
Beim Entwurf von derartigen kraftschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen für die Kraft- bzw. Leistungsübertragung ist man in der Regel auch bemüht, die entsprechenden Bauteile und deren Verbindungen weitgehend symmetrisch zu gestalten bzw. diese nach Möglichkeit ohne geometrische oder werkstofftech nische Diskontinuitäten aufzubauen. Wichtige Gründe dafür sind eine einfachere Fertigung der einzelnen Bauteile, bessere Möglichkeiten zur Berechnung von deren spezifischer Auslegung sowie eine bessere Kenntnis von deren Bauteilverhalten unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen. Den genannten Vorteilen steht aber unter Umständen die schlechtere Ausnutzung des Leistungsvermögens dieser Bauteile als Nachteil gegenüber.
Bekannt und beispielsweise in DE 10347100 B4 beschrieben ist aber auch, dass sich durch eine geschickte Prozessbeeinflussung während des Innenhochdruckfügens von rein zylindrischen Bauteilen sowohl hinsichtlich der erhöhten Drehmoment- als auch Axialkraftübertragungsfähigkeit verbesserte mechanische Verbindungen dadurch erreichen lassen, indem der hohen Flächenpressung zwischen den zu verbindenden Bauteilen zusätzlich ein Formschlussanteil durch ein entsprechendes Verformen der Fügeteile überlagert wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren zum Fügen von Bauteilen dahingehend weiter auszubilden, dass die Fügeverbindungen bei erhöhter Lastübertragungsfähigkeit sowohl bezüglich des übertragenen Drehmomentes als auch bei der Axialkraftübertragung in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar sind und zugleich die Bauteilfertigung unter den Bedingungen einer erleichterten Entwurfsberechnung sowie eindeutigen Vorhersagbarkeit des Bauteilverhaltens unter den jeweiligen Einsatzbedingungen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß löst die vorliegende Aufgabe ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass im Fügebereich der Bauteile und über den Umfang des Außenteils verteilt angeordnete Elemente zum Niederhalten der radialen Aufweitung während des Fügevorganges vorgesehen sind, wobei diese Elemente, am Außenteil direkt anliegend, die Aufweitung partiell verhindern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit mehreren schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen
die 1 beispielhaft und in an sich bekannter Weise im Längsaxialschnitt eine Hohlwelle-Nabe-Verbindung mit einem in die Hohlwelle eingeführten Sondenwerkzeug während des Innenhochdruckfügens,
die 2 in vereinfachter Darstellung die einzelnen Phasen des Innenhochdruckfügens von Pressverbindungen,
die 3a in seitlichem Längsschnitt sowie
die 3b in Querschnittdarstellung die erfindungsgemäß durchgeführte Positionierung von Niederhaltern am Außenteil der Verbindung während des Innenhochdruckfügens vor der Verformung und
die 4 gemäß der Erfindung im Querschnitt eine innenhochdruckgefügte kraft- und formschlüssige Verbindung eines Bauteils mit ungleichmäßiger Radialaufweitung.
In 1 sind zum Fügen über eine Hohlwelle als Innenteil 1 Naben als Außenteil 2 geschoben und in vorgegebener Lage positioniert worden. Zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Hohlwelle und den Naben wird zum Aufweiten in die Hohlwelle 1 ein Sondenwerkzeug 3 mit einer Axialbohrung 4 und Radialbohrungen 5 eingeführt. Durch diese Bohrungen gelangt das unter hohem Druck p stehende Wirkfluid aus einer hier nicht dargestellten Druckerzeugungsvorrichtung in einen durch Ringdichtungen 6 abgedichteten Aufweitraum 7 innerhalb der Hohwelle (externe Druckerzeugung). Dadurch werden die Hohlwelle und die Naben in dem durch den Aufweitraum festgelegten Fügebereich aufgeweitet und Pressverbindungen zwischen diesen Bauelementen hergestellt.
Die einzelnen Phasen des Aufweitvorganges beim Innenhochdruckfügen verdeutlicht die 2. In der Phase der Positionierung von Hohlwelle und Nabe ist im noch ungefügten Zustand ein radialer Spalt 8 zwischen Innen- und Außenteil (1, 2) vorhanden, wodurch sich deren Positionierung zueinander sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erheblich einfacher gestaltet. Im Aufweitvorgang gemäß Phase 2 wird das durch den Spalt 8 hervorgerufene Spiel aufgehoben, weil sich die Hohlwelle inzwischen unter der Wirkung des Innenhoch drucken p radial aufzuweiten beginnt und dabei gegen die Nabe als Außenteil 2 mit bleibender elastischer Vorspannung presst. Zwischen Innen- und Außenteil bildet sich so ein Presssitz aus. Die Phase 3 verdeutlicht schließlich den Vorgang des Zurückfederns des aus elastischem Material beste henden Außenteils bei Druckentspannung, wodurch sich die im Ergebnis dieses Aufweitungsprozesses entstandene kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Außen- und Innenteil noch weiter stabilisiert.
Beispielhaft zeigen die 3a und 3b eine entsprechend der Erfindung erfolgende Verfahrensdurchführung zur Herstellung einer form- und kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei zylindrischen Bauteilen. Anstatt unter der Wirkung des Innenhochdruckes das Innenteil 1 und das Außenteil 2 entsprechend 1 frei radial aufzuweiten, bis eine Pressverbindung der beiden zylindrischen Teile zustande kommt, sind nunmehr Niederhalter 9 in der Form von zylindrischen Körpern über den gesamten Außenumfang des Außenteils verteilt so angeordnet, dass diese, starr an der Außenfläche des Außenteils 2 anliegend, eine radiale Aufweitung an den Stellen gegenseitiger Berührung von Außenteil und Niederhalter verhindern. Ihre Aufgabe ist somit in etwa mit der von Niederhaltern bei Werkzeugen der Umformtechnik zu vergleichen. Demgegenüber kommt es nur in den Bereichen, in denen die radiale Aufweitung nicht behindert wird, zu größeren radialen Verformungen (4), die einen für die gesamte Baugruppe wirkungsvollen Formschluss ergeben. Zusätzlich zur Flächenpressung ist somit auch ein Formschlussanteil vorhanden, welcher, die Drehmomentübertragungsfähigkeit erhöhend, die Möglichkeiten zur Lastübertragung insgesamt deutlich verbessert.
Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Niederhalter 9 über den Umfang des Außenteils 2 kann auch ein gleichmäßig verteilter Formschluss zwischen Innen- und Außenteil mit den bereits genannten Vorteilen hinsichtlich der Berechnung und Bewertung des Bauteilverhaltens unter unterschiedlichsten Belastungsbedingungen erzielt werden. Infolge der unterschiedlichen Radialaufweitung erhält man, wie 4 zeigt, beispielsweise ein Querschnittsprofil für die Fügeverbindung von Außenteil 2 und dem Innenteil 1, welches in etwa einem Polygonprofil entspricht. In vorliegendem Ausführungsbeispiel besitzen die Niederhalter 9 die Form von Kreiszylindern. Es sind aber auch andere Niederhaltergeometrien denkbar. Die Zahl der über den Umfang des Außenteils verteilten Niederhalterelemente richtet sich nach der Bauteilgeometrie und den Werten für die zu erreichende Lastübertragungsfähigkeit. Selbstverständlich ist aber für spezielle Anwendungen auch eine ungleichmäßige Verteilung der Niederhalterelemente über den Außenumfang des Außenteils 2 denkbar.

Claims

Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss, wobei ein Außenteil (2) mit Spiel über ein hohlrohrförmiges Innenteil (1) aufgeschoben und dort lagegenau positioniert wird und wobei das Außenteil zumindest im Fügebereich das Innenteil unfänglich umschließt, bei dem anschließend zur Herstellung der Fügeverbindung das Innenteil mit einem hochgespannten Druckfluid beaufschlagt wird und dadurch in radialer Richtung und zusammen mit dem Außenteil so aufgeweitet wird, dass das plastische Innenteil (1) und das elastische Außenteil (2) eine Pressverbindung eingehen, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Außenteiles (2) im Fügeabschnitt verteilt angeordnete Elemente (9) zum Niederhalten der radialen Aufweitung der Bauteile vorgesehen sind, wobei diese Elemente, am Außenteil (2) starr anliegend, die Aufweitung beim Fügevorgang partiell verhindern.
Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zum Niederhalten als kreiszylindrische Körper ausgebildet sind, die längsgerichtet am Außenteil in dessen Axialrichtung starr anliegen.
Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zum Niederhalten gleichmäßig über den Umfang des Außenteils verteilt angeordnet sind.
Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit kombiniertem Form- und Kraftschluss nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil eine Hohlwelle und das Außenteil eine Nabe ist.