DE102009022391A1

DE102009022391A1 - Verfahren zur Herstellung von Dichtungselementen

Info

Publication number: DE102009022391A1
Application number: DE102009022391A
Authority: DE
Inventors: Rolf Prehn
Original assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Current assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-23
Also published as: US20120073348A1; EP2432604A1; CN102387875A; DE102009022391B4; WO2010133214A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente, indem mindestens zwei Blech- oder Folienstreifen vorgebbarer Dicke, Länge und Breite nach Art eines Tailored Blank oder Patchworks miteinander in Wirkverbindung gebracht werden, dieser Verbund anschließend zu einem Rohr gewickelt und das Rohr entweder in einzelne Ringelemente aufgeteilt wird, die danach durch mechanische Formgebung zu dem jeweiligen Dichtungselement umgeformt werden oder das gesamte Rohr umgeformt und dieses so profilierte Rohr in einzelne Dichtelemente bildende Ringelemente aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente.
Durch die EP 1 306 589 A2 ist ein Dichtungselement bekannt geworden, beinhaltend eine erste metallische Lage aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung und einer zweiten metallischen Lage aus einer mischkristallgehärteten Legierung bzw. einer ausscheidungsgehärteten Nickelbasislegierung bzw. einer oxiddispersionsgehärteten Legierung. Die Dichtung hat eine, im radialen Schnitt gesehen, balgartige Struktur. Verfahrenstechnisch werden erste und zweite Stücke der Lagen ausgeschnitten, wobei die beiden Lagen zu ersten und zweiten Ringen verformt werden. Die so gebildeten Ringe werden konzentrisch ineinander gesetzt, wobei anschließend eine Verformung des so gebildeten Materialverbundes zu der Endkontur eines Dichtelementes herbeigeführt wird. Diese Art der Formgebung wird, bedingt durch die Vielzahl der Arbeitsschritte, als aufwändig und kostenintensiv angesehen.
Vielfach werden heute noch zur Erzeugung von metallischen Dichtungselementen selbige aus Blechen ausgestanzt und in mehreren Arbeitsschritten ihrer endgültigen Form zugeführt. Durch den Einsatz von Blechen stellt sich ein hoher Materialverlust beim Ausstanzen der Dichtungsgrundkörper ein, wodurch hohe Materialkosten gegeben sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringstmöglichem Materialeinsatz Dichtungselemente herzustellen, die sowohl das Dichtverhalten als auch die Federeigenschaften im Betriebszustand verbessern können.
Die so hergestellten Dichtelemente sollen für spezifische Anwendungsfälle, insbesondere im Bereich eines Fahrzeugantriebs einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente, indem mindestens zwei Blech- oder Folienstreifen vorgebbarer Dicke, Länge und Breite, nach Art eines Tailored Blank oder Patchworks miteinander in Wirkverbindung gebracht werden, dieser Verbund anschließend zu einem Rohr gewickelt und das Rohr entweder in einzelne Ringelemente aufgeteilt wird, die danach durch mechanische Formgebung zu dem jeweiligen Dichtungselement umgeformt werden, oder das gesamte Rohr umgeformt und dieses so profilierte Rohr in einzelne Dichtelemente bildende Ringelemente aufgeteilt wird.
Diese Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente, indem aus Blech- oder Folienstreifen vorgebbarer Dicke, Länge und Breite Rohre oder Rohrsegmente unterschiedlicher äußerer Abmessungen erzeugt werden, die Rohre oder Rohrsegmente zu einem nach Art von Tailored Tubes ausgebildeten Mehrlagenverbund ineinander gelegt werden und der Mehrlagenverbund entweder in einzelne Ringelemente aufgeteilt wird, die anschließend durch mechanische Formgebung zu dem jeweiligen Dichtungselement umgeformt werden, oder das gesamte Rohr umgeformt und dieses so profilierte Rohr in einzelne Dichtelemente bildende Ringelemente aufgeteilt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der alternativen erfindungsgemäßen Verfahren sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Unter dem Begriff Tailored Blank versteht der Fachmann Bleche oder Folien, die beispielsweise aus verschiedenen Werkstoffgüten und/oder Dicken zusammengesetzt sind. Dieses vorgefertigte Halbzeug wird anschließend einer mechanischen Umformung unterzogen.
Unter dem Begriff Patchwork versteht der Fachmann Bleche oder Folien, auf die nach Art von Flicken weitere kleinere Bleche oder Folien aufgelegt, die mit den ersten Blechen oder Folien verbunden werden.
Unter dem Begriff Tailored Tubes versteht der Fachmann rohrförmige aus Blechen oder Folien gebildete Bauteile, die miteinander verbunden werden.
Die Verbindung der Bleche, respektive Rohre, respektive der einander gegenüber liegenden Endbereiche der gewickelten Bleche kann durch alle in der Technik bekannten stoff-, kraft- oder formschlüssigen Verbindungsverfahren oder Kombinationen davon herbeigeführt werden.
Anwendungsgebiete für nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Dichtungselemente sind Dichtungen im Bereich eines Turboladers oder aber als Flach- bzw. Flanschdichtungen, insbesondere im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges. Des Weiteren können die so erzeugten Dichtungen auch als Gehäusedichtungen, beispielsweise im Getriebegehäuse eines Fahrzeugs, Anwendung finden.
Als Ausgangsmaterialien kommen entweder dünne Blech- bzw. Folienstreifen (10 μm bis 200 μm) zum Einsatz, oder eine Kombination mit dickeren Blech- bzw. Folienstreifen (200 μm bis 1.000 μm) aus denen das jeweilige Materialverbund, entweder als Blech oder als Rohr, zusammengesetzt wird.
Durch unterschiedliche Längen, Breiten oder Dicken der zum Einsatz gelangenden Blech- bzw. Folienstreifen kann beispielsweise ein blattfederartiger Schichtaufbau (Patchwork) realisiert werden. Damit sind folgende Vorteile verbunden:

– Dieser Schichtaufbau dient dazu, die Federeigenschaften ähnlich einer Blattfeder entsprechend der jeweiligen Anforderung an das Dichtungselement einstellen zu können.
– Durch den Schichtaufbau können Kombinationen aus dünneren und dickeren Blechen/Folien erzeugt werden, so dass dünnere und somit weniger steife Ringe an der Innen- bzw. Außenseite des Dichtungselementes angebracht werden, die dann die Dichtfunktion übernehmen, da sich diese besser an die Dichtflächen anschmiegen und ein oder mehrere dickere Bleche in der Mitte dieses Mehrlagenverbundes die nötige Steifigkeit in das System einbringen, um die geforderte Federfunktion sicherzustellen.

Derartige Schichtsysteme können aus Materialien hergestellt werden, durch die keine unerwünschten Effekte, wie beispielsweise unterschiedliche Wärmedehnungen oder thermoelektrische Effekte, auftreten.
Je nach Einsatzbereich des Dichtungselementes kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Es bieten sich sowohl Kaltbänder, Federstähle, Nickelbasislegierungen, bainitische Materialien oder dergleichen an.
Die zum Einsatz gelangenden Blech- oder Folienstreifen können bedarfsweise partiell oder vollflächig beschichtet werden.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 Prinzipskizze eines nach Art eines Tailored Blank aufgebauten Schichtverbundes;
2 Prinzipskizze eines nach Art eines Patchworks aufgebauten Schichtverbundes;
3 und 4 Prinzipskizzen zweier aus Blechen unterschiedlicher Walzrichtung gerollter Rohre;
5 Prinzipskizze eines aus einem langen Blechstreifen spiralförmig aufgewickelten Rohres;
6 und 7 Prinzipskizzen von Formgebungsprozessen zur Konturierung eines Rohrs;
8 Prinzipskizze eines Formgebungsvorgangs zur Erzeugung eines Dichtungselementes;
9 Prinzipskizze unterschiedlich ausgebildeter Dichtelemente;
10 Prinzipskizze einer Zylinderkopfdichtung, beinhaltend ein Dichtelement gemäß 9.
1 zeigt als Prinzipskizze einen nach Art eines Tailored Blank aufgebauten Schichtverbundes, gebildet aus drei Blechstreifen 1, 2, 3 unterschiedlicher Dicke. Die Blechstreifen 1, 2, 3 haben in diesem Beispiel gleiche Längen L und gleiche Breiten B. Die Dicken der Blechstreifen 1 und 3 betragen zwischen 200 und 1.000 μm, während der dazwischen angeordnete Blechstreifen 2 eine Dicke zwischen 10 und 150 μm aufweist. Diese Dickenangaben sind lediglich als beispielhafte Dickenangaben zu verstehen. Die Blechstreifen 1, 2, 3 können im Bereich einer ihrer Seiten 4 durch thermische Einwirkung, beispielsweise durch Schweißen, miteinander verbunden werden (nicht dargestellt). Somit wird ein Mehrlagenverbund, gebildet aus den Blechstreifen 1, 2, 3 erzeugt, der anschließend zu einem Rohr 5 gewickelt wird. Die einander gegenüberliegenden Endbereiche 6, 7 des gewickelten Rohres 5 können, ebenfalls durch thermische Einwirkung, beispielsweise durch Schweißen, miteinander verbunden werden. Dies hängt vom dem jeweiligen Einsatzfall des zu erzeugenden Dichtungselementes ab. Sofern ein Stoß – wie bei einem Kolbenring bekannt – von Nöten sein sollte, kann das Rohr 5 in entsprechender Weise als Rohrsegment ausgeführt werden, so dass dieser Stoß (nicht dargestellt) nach dem Wickelvorgang erhalten bleibt.
2 zeigt eine Alternative zu 1. Hier sind mehrere Bleche 8, 9, 10 mit im Wesentlichen unterschiedlichen Dicken aneinandergereiht worden. Diese Bleche 8–10 werden in diesem Beispiel stoffschlüssig (Kleben, Schweißen, Löten) miteinander verbunden. Das so erzeugte Patchwork wird gerollt (Pfeil), wobei die Enbereiche analog zu 1 miteinander verbunden werden. So entsteht ein Rohr 5' mit unterschiedlichen Dicken, in radialer Richtung gesehen, bzw. Verdickungen an vorgebbaren Stellen. Dieses Rohr 5' kann anschließend in einzelne Ringelemente geschnitten oder aber das ganze Rohr 5' umgeformt werden. Aus dem umgeformten Rohr 5' können dann einzelne, Dichtungsringe bildende Ringelemente, geschnitten werden.
Die 3 und 4 zeigen Blechstreifen 11, 12 unterschiedlicher Walzrichtung, die ebenfalls zu Rohren 13, 14 geformt werden. Die jeweiligen Endbereiche 15, 16, 17, 18 der Rohre 13, 14 können, wie bereits angesprochen, durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden. Auch hier besteht die Möglichkeit, Rohrsegmente zu formen, so dass die Endbereiche 15, 16, 17, 18 mit vorgebbarem Abstand zueinander vorgesehen sind. Die Rohre 13, 14 haben in diesem Beispiel unterschiedliche Durchmesser, wobei der Außendurchmesser des Rohres 14 in etwa dem Innendurchmesser des Rohres 13 entspricht. Diese Rohre 13, 14 können nun zur Erzeugung eines Tailored Tubes ineinander geschoben werden. Eventuell vorhandene Schweißnähte können bedarfsweise versetzt zueinander vorgesehen werden. Ebenfalls denkbar ist, die Rohre 13, 14 so zueinander zu positionieren, dass sie durch Schweißen miteinander in Wirkverbindung gebracht werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein langer Blechstreifen 19 kann zu einem spiralförmig ausgebildeten Rohr 20 aufgewickelt werden. Der Endbereich 21 des Blechstreifens 19 kann bedarfsweise mit dem Wickelbereich 22 durch Schweißen oder Löten verbunden werden. Denkbar ist auch, eine form- oder kraftschlüssige Verbindung zu erzeugen, um die einzelnen Lagen miteinander zu verbinden.
Die entsprechend den 1 bis 5 erzeugten Rohre, respektive Rohrsegmente, werden nun in entsprechende Ringelemente vereinzelt (beispielsweise durch Schneiden) und einer Weiterverarbeitung zugeführt. Wie bereits angesprochen, kann auch das gesamte Rohr umgeformt werden, wobei das so profilierte Rohr in einzelne Dichtungselemente bildende Ringelemente aufgeschnitten wird.
Hier bieten sich Umformverfahren, wie Hydroforming, Gummi-Umformen oder Stauch-Pressen an. Der Fachmann wird in Abhängigkeit vom Anwendungsfall das geeignete Verfahren auswählen.
Die 6 und 7 zeigen unterschiedliche Formgebungsprozesse zur Konturierung der äußeren Umfangsfläche beispielsweise des Rohrs 20 gemäß 5. In 6 ist der Vorgang des Hydroformings und in 7 der Vorgang des Gummi-Umformens dargestellt. In beiden Fällen werden entsprechende Konturen 20', 20'' in das Rohr 20 eingebracht.
8 zeigt ein einzelnes Ringelement 23 in vergrößerter Darstellung. Dieses Ringelement 23 wird vor eine Negativform 24 gelegt, die mit einem entsprechenden Negativprofil 25 versehen ist. Beispielsweise unter Einsatz einer rotierenden Rolle 26 wird das Ringelement 23 in die Negativform 25 eingedrückt. Nach der mechanischen Formgebung hat das so erzeugte Dichtungselement 27 eine etwa V-förmige Kontur.
Je nach Ausgestaltung der Negativform 25 können unterschiedlichste Konturen des Dichtungselementes 27 erzeugt werden.
9 zeigt Beispiele unterschiedlich konturierter Dichtungselemente 27.
10 zeigt als Prinzipskizze eine Flachdichtung bzw. eine Zylinderkopfdichtung 28, wie sie z. B. im Bereich einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Erkennbar sind Schraubendurchgangslöcher 29 sowie Durchgangslöcher bzw. Brennraumdurchgangsöffnungen 30. Ein Dichtelement 27, wie es in 9 dargestellt ist, kann im Bereich der jeweiligen Durchgangslöcher bzw. Brennraumdurchgangsöffnung 30 positioniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1306589 A2 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente (27), indem mindestens zwei Blech- oder Folienstreifen (1, 2, 3, 8, 9) vorgebbarer Dicke, Länge (L) und Breite (B), nach Art eines Tailored Blank oder Patchworks miteinander in Wirkverbindung gebracht werden, dieser Verbund anschließend zu einem Rohr (5) gewickelt und das Rohr (5) entweder in einzelne Ringelemente (23) aufgeteilt wird, die danach durch mechanische Formgebung zu dem jeweiligen Dichtungselement (27) umgeformt werden, oder das gesamte Rohr (5) umgeformt und dieses so profilierte Rohr (5) in einzelne Dichtelemente bildende Ringelemente (23) aufgeteilt wird.
Verfahren zur Herstellung ringförmig ausgebildeter metallischer Dichtungselemente (27), indem aus Blech- oder Folienstreifen (11, 12) vorgebbarer Dicke, Länge und Breite Rohre (13, 14) oder Rohrsegmente unterschiedlicher äußerer Abmessungen erzeugt werden, die Rohre (13, 14) oder Rohrsegmente zu einem nach Art von Tailored Tubes ausgebildeten Mehrlagenverbund ineinander gelegt werden und der Mehrlagenverbund entweder in einzelne Ringelemente (23) aufgeteilt wird, die anschließend durch mechanische Formgebung zu dem jeweiligen Dichtungselement (27) umgeformt werden, oder das gesamte Rohr (5) umgeformt und dieses so profilierte Rohr (5) in einzelne Dichtelemente bildende Ringelemente (23) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Endbereiche (6, 7, 15, 16, 17, 18) des rohrförmigen Mehrlagenverbundes stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig, insbesondere durch thermische Einwirkung, wie durch Schweißen oder Löten, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Rohres (20), das Blech (20), respektive der Mehrlagenverbund spiralförmig aufgewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech- oder Folienstreifen (1, 8) vorgebbarer Dicke, Länge (L) und Breite (B) mit mindestens einem Folienstreifen (2, 3, 9) andersartiger Dicke, Länge (L) und/oder Breite (B) nach Art eines Tailored Blank oder Patchworks zu einem Mehrlagenverbund verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Blech- oder Folienstreifen (11) vorgebbarer Dicke, Länge und Breite zu einem ersten Rohr oder Rohrsegment (13) geformt wird, dass mindestens ein weiterer Blech- oder Folienstreifen (12) andersartiger Dicke, Länge und/oder Breite zu einem weiteren Rohr (14) oder Rohrsegment gebildet wird, wobei die Rohre (13, 14) oder Rohrsegmente anschließend ineinander gelegt und bedarfsweise stoff-, kraft- oder formschlüssig, respektive Kombinationen davon, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Blech- oder Folienstreifen (11, 12), gleicher oder unterschiedlicher Walzrichtung, zu einem Tailored Blank-, respektive einem Patchwork-, respektive zu einem Tailored Tube-Verbund zusammengesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (23) durch mindestens eine Konturrolle (26) innerhalb einer entsprechend ausgebildeten Negativform (25) ihrer das Dichtungselement (27) bildenden Endform zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5), respektive das einzelne Ringelement (23), durch Hydroforming, Gummi-Umformen oder Stauch-Pressen umgeformt bzw. profiliert wird.
Dichtungselement, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Dichtung im Bereich eines Turboladers,
Dichtungselement, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Flanschdichtung, insbesondere im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges.
Dichtungselement, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Gehäusedichtung, insbesondere im Bereich eines Fahrzeuggetriebes.
Dichtungselement, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Flachdichtung, insbesondere als Zylinderkopfdichtung (28).