DE102010062772A1

DE102010062772A1 - Sensorgehäuse aus einem metallischen Material, insbesondere für einen induktiven Nährungsschalter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010062772A1
Application number: DE201010062772
Authority: DE
Inventors: Klaus Gierer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Ein Sensorgehäuse aus einem metallischen Material für ein Sensorgerät, insbesondere für einen induktiven Näherungsschalter, besteht aus einem länglichen Hülseabschnitt (3), der zur Aufnahme eines Elektronikmoduls (5) dient, und einem Steckerabschnitt (7) mit einer Öffnung 7o, der zur Aufnahme eines Steckerteils (9) dient, wobei der Hülseabschnitt (3) und der Steckerabschnitt (7) unterschiedliche Querschnitte aufweisen und der Hülseabschnitt (3) und der Steckerabschnitt (7) einstückig als Rundknetteil ausgebildet sind, insbesondere als Rundknetteil über Dorn.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorgehäuse aus einem metallischen Material für ein Sensorgerät, insbesondere für einen induktiven Nährungsschalter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Sensorgerät mit einem derartigen Sensorgehäuse.
Sensorgeräte, insbesondere induktive Nährungsschalter, werden in vielen Industriebereichen zum Beispiel im Maschinen- und Anlagenbau, in der Prozessmesstechnik, in der Fabrikautomation sowie in der Automobilindustrie eingesetzt. Induktive Nährungsschalter dienen zum berührungslosen Schalten bei Annäherung von metallischen Objekten. In der Regel bestehen sie aus einem Schwingkreis, der durch die Annäherung des metallischen Objekts bedampft wird. Der Einfluss des sich annähernden Objektes auf den Schwingkreis wird ausgewertet und in ein Schaltsignal umgewandelt. Typische Bauformen sind zylindrische, metallische Glattrohr- oder Gewinderohrausführungen mit einem Durchmesser von etwa 8 mm bis 30 mm aus rostfreiem Edelstahl oder Messing. Bevorzugt werden M12-, M18- und M30-Geräte mit metrischem Feingewinde eingesetzt. Aber auch quader- oder würfelförmige Bauformen kommen zum Einsatz. Zur Energieversorgung und zur Ausgabe des Schaltsignals dient entweder ein Kabel- bzw. Steckeranschluss. In der Regel sind der Gehäusedurchmesser und der Durchmesser des Steckeranschlusses bzw. des Steckeranschlußbereiches unterschiedlich. Dies hat damit zu tun, dass die Größe bzw. der Durchmesser des am vorderen Ende des Sensorgerätes angeordneten Sensorelementes direkt den maximalen Detektions- bzw. Schaltabstand bestimmt. Dies trifft besonders für berührungslos arbeitende induktive, optoelektronische und kapazitive Näherungssensoren bzw. Näherungsschalter zu. Da der Durchmesser im Steckerbereich üblicherweise 12 mm beträgt (M12-Anschluß) und der Durchmesser des Sensorelementes, wie z. B. der Sensorspule größer ist, ist am Übergang vom Gehäuserohr bzw. des Hülseabschnittes zum Steckeranschlussbereich bzw. Steckerabschnitt ein Adapter für die Durchmesserreduzierung notwendig (in seltenen Fällen auch für die Durchmesservergrößerung), der sowohl mit dem entsprechenden Glatt- bzw. Gewinderohr als auch mit dem endseitigen Rohrteil (Steckerabschnitt) luft- und feuchtigkeitsdicht verschweißt bzw. verbunden ist. Die möglichst senkrechte Ausbildung des Adapters bezüglich der waagerechten Gehäusebereiche ermöglicht sowohl eine bessere LED-Anordnung und/oder – Sichtbarkeit, als auch eine bessere Platzausnutzung innerhalb des Gerätes bei minimaler Länge des Gerätes, die bei manchen Anwendungen sehr wichtig ist, z. B. bei beengten Platzverhältnissen in der Prozessautomatisierung. Die Verbindung zwischen dem Adapter und den ein oder zwei angrenzenden Bereichen muss riss- und bruchsicher sein, eine hohe Scherbelastungsfestigkeit aufweisen (auch aufgrund der durch Normen vorgeschriebenen Tests) und hat verschiedene Nachteile. Sie benötigt bei der Herstellung des Sensors immer einen aufwendigen Verfahrensschritt, wie Schweißen bei Edelstahl oder Bördeln bei Messing. Da Sensorgeräte, auch induktive Nährungsschalter, vielfach in feuchten bzw. spritzwassergefährdeten Bereichen eingesetzt werden, muss das Eindringen von Feuchtigkeit und Spritzwasser bzw. bei Mediumskontakt das Eindringen des Mediums (Wasser, Öl) selbst unbedingt vermieden werden. Die Anforderungen an die Dichtigkeit des Sensorgehäuses können je nach Anwendung unter Umständen sehr hoch sein (IP67). Für die im Einsatz befindlichen Dichtkonzepte, z. B. mittels O-Ringen, sind glatte Innenoberflächen von großer Bedeutung, die in der Regel einen zusätzlichen Arbeitsschritt zur Bearbeitung dieser Dichtfläche erfordern. Gefordert werden sehr kleine Rauhtiefen von kleiner 6,3 μm an den Innenwandungen des Sensorgehäuses im vorderen und hinteren Bereich, weil hier spezielle O-Ringe zur sicheren Abdichtung, auch gegen aggressive Flüssigkeiten, verwendet werden sollen, z. B. im Stecker- und Frontdeckelabschnitt.
Neben zweistückigen Sensorgehäusen mit oft scheibenförmigen, senkrechtem Adapter und dreistückigen Sensorgehäusen mit separatem Endabschnitt des Steckerabschnittes sind auch einstückige Edelstahl-Sensorgehäuse bekannt. Das Sensorgehäuse ist aus Vollmaterial gedreht, was eine extrem aufwendige, zeitintensive und teure Herstellung bedeutet. Insbesondere das Fräsen von Nuten im Innenbereich einer Rohrwand ist kompliziert, zeitaufwendig und teuer.
Bei zylindrischen Sensorgeräten, vor allem bei Näherungsschaltern, ist das Feingewinde üblich, weil es gegenüber dem Regelgewinde einige Vorteile hat, z. B. die größere Selbsthemmung der Schraubverbindung, die beim Einsatz des Sensorgerätes in vibrationsbelasteten Umgebungen wichtig ist. Eine Schraube (oder eine Mutter) mit Feingewinde hat im Vergleich zu einer mit Regelgewinde ein zum Außendurchmesser relativ kleineres Gewindeprofil. Zur Unterscheidung wird es zusätzlich mit dem Maß seiner – ebenfalls kleineren – Steigung gekennzeichnet. Zum Beispiel hat das Regelgewinde M20 eine Steigung von 2,5 mm. Feingewinde mit gleichem Außendurchmesser von 20 mm sind M20 × 2, M20 × 1,5, M20 × 1 oder mit noch kleinerer Steigung (in Frage kommen alle normierten Steigungs-Maße). Feingewinde findet man beim metrischen DIN/ISO-Gewinde und beim Whitworth-Gewinde, sowie beim amerikanischen Unified Thread Standard (US-Gewinde; UNF-Zollfeingewinde). Insbesondere bei Sensorgeräten, bei denen der maximale Detektionsabstand direkt mit der Größe bzw. dem Durchmesser des Sensorelementes (Spule, Elektrode, Sende-/Empfangs-LED/Element) zusammenhängt, d. h. induktive, kapazitive und optoelektronische Näherungssensoren und Näherungsschalter, ist es wichtig, dass der Innendurchmesser des Sensorgehäuses bei vorgegebenen Gewindeaußendurchmesser von z. B. M12, M18, M30 möglichst groß ist. U. a. auch deshalb, weil viele andere Komponenten wie Leiterplatte, Elektronik, Anzeige-, Einstell- und Programmierelemente und auch Netzteile auf engstem Raum untergebracht werden müssen, u. a auch, um ein standardisiertes Ausgangssignal (Schaltsignal, Analogsignal, 4–20 mA, 0–10 V) über einen standardisierten Rundstecker (3- oder 4-polig) zu liefern.
Bekannt ist auch, für kappenartige Gehäuseteile von Strömungsmeßgeräten Tiefziehtechnik einzusetzen. Besondere Ausgestaltungen dieser Technik ermöglichen die Herstellung hochqualitativer, aber dünnblechiger Teile mit hoher Oberflächenqualität, so dass in manchen Fällen eine Oberflächennachbearbeitung entfallen kann. Diese Technik ist allerdings nicht für die Herstellung größerer oder geometrisch anspruchvoller zylinderförmiger Näherungsschaltergehäuse oder ähnlicher Sensorgeräte mit Gewinde geeignet, weil nur Teile mit konstanter Wandstärke hergestellt und bzgl. der Ausgangswandstärke nicht nur die notwendige effektive Gehäusewandstärke berücksichtigt werden muss, sondern auch die Gewindetiefe, die z. B. bei metrischem Feingewinde (M30 × 1,5) 0,92 mm beträgt. Die notwendige Gehäusewandstärke des Sensorgehäuses vor der Gewindeherstellung beträgt bei einer geforderten Restwandstärke (effektive Wandstärke) von 0,78 mm demzufolge mindestens 1,7 mm. Dieser Wert beträgt mehr als 200% der effektiven symmetrischen Nennwandstärke. 1,7-mm-Werkstücke stark und mit großer Präzision zu verformen, ist mit dem Tiefziehverfahren zumindest für Stahl sehr schwierig oder unmöglich. Ein weiterer Nachteil der Tiefziehtechnik ist, dass im Bereich von Reduzierungen von Gehäusedurchmessern nur relativ geringe Steilheiten erreicht werden können, insbesondere bei dickeren Gehäusewandstärken, und dass zur Erzielung von großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen der Sensorgehäuse mehrstufige Tiefziehprozesse mit mehreren Werkzeugen notwendig sind. Auch Hinterschnitte sind nicht machbar.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Sensorgehäuse aus einem metallischen Material für ein Sensorgerät, insbesondere einen induktiven Nährungsschalter, als auch ein Sensorgerät sowie ein Verfahren anzugeben, dass die oben genannten Nachteile nicht aufweist, dass für die Herstellung von Gewinde-Sensorgehäusen mit größerem Durchmesser, z. B. 12, 18 und 30 mm, und Querschnittsverringerung im Steckerbereich bzw. Steckerabschnitt geeignet ist, das wenig Dicht- und Verbindungsflächen im Bereich des Adapters aufweist und das trotz hoher Oberflächen- und Querschnitts-Qualität einfach, schnell und kostengünstig herstellbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Sensorgehäuse, durch das im Anspruch 9 angegebene Sensorgerät bzw. durch das im Anspruch 10 angegebene Verfahren zur Herstellung eines Sensorgehäuses.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, das metallische Sensorgehäuse, das im Steckerbereich einen anderen Querschnitt als im Hülseabschnitt aufweist, einstückig in Rundknettechnik herzustellen, insbesondere Sensorgehäuse, in die nachträglich mindest ein Außengewinde aufgebracht wird. Damit entfällt die Dichtproblematik im Adapterbereich und das Gehäuse ist kostengünstig herstellbar. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, dass harte bzw. ansonsten schwer umformbare Werkstoffe wie Titan, Stahl und Edelstahl in legierter und unlegierter Form einsetzbar sind, vor allem in Form längsnahtgeschweißter nachgezogener Rohrstücke. Bevorzugte Materialien für Sensorgehäuse sind Aluminum, Messing, Stahl und Edelstahl. Es können sowohl die Reinmetalle als auch deren Legierungen zum Einsatz kommen. Bei aushärtbaren Aluminiumverbindungen ist das z. B. AlMgSi 0,5–1 oder AlZnMgCu1,5.
Gegenüber dem Tiefziehen als Zugdruckumformverfahren haben Druckumformverfahren, insbesondere das Rundkneten und das Fließpressen den Vorteil, dass durch das Druckumformen die Festigkeitswerte beträchtlich gesteigert werden können, aber auch Werkstücke mit sehr hoher Oberflächenqualität und geringer mittlerer Rautiefe hergestellt werden können, so dass eine direkte und exzellente O-Ring-Dichtung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die Endkonturmaßhaltigkeit.
Das Rundkneten ist ein spanloses Kaltumformverfahren für das Reduzieren des Querschnittes von Stäben, Rohren und Drähten. Kaltumformung unterscheidet sich von Kaltverformung, z. B. beim Unfall eines Automobils, dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Als Kaltumformung wird eine Umformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur bezeichnet. Umformen ist eine gezielte plastische Formänderung, vor allem zur Formgebung eines Bauteils bzw. Werkstückes. Zwei bis vier, in Ausnahmefällen bis zu acht Werkzeugsegmente bzw. Werkzeuge, die das Werkstück umschließen, führen in schneller Folge gleichzeitig radiale Auf- und Abwärtsbewegungen durch. Bei jeder Abwärtsbewegung des Werkzeugsatzes wird ein Teil des Werkstückes umgeformt. Das Werkzeug versetzt dem Werkstück radiale Schläge und gibt dem Werkstück dadurch einen schmaleren Querschnitt. Durch Dorne verschiedener Formgebung sind auch Innenprofile herstellbar, z. B. Keilwellen oder Läufe. Beim Rundkneten handelt es sich um ein inkrementelles Umformverfahren. Seine Vorteile sind hohe Umformgrade, ein großes Formenspektrum, sehr gute Möglichkeiten bei der Herstellung von Innenprofilen, sehr steile Übergänge und Einstiche im Rohrmittelbereich, hohe Flexibilität bezüglich sich ändernder Geometrien. Neben rotationssymmetrischen Hohlteilen bzw. Gehäusen sind auch nichtrotationssymmetrische herstellbar. Die Oberflächenqualität der Hülse bzw. des Gehäuses ist so gut, dass bei Glatthülse-Sensorgeräten keine Nachbearbeitung zur Reduzierung der Oberflächenebenheit oder -rauhigkeit notwendig ist. Ein weiterer Vorteil des Rundknetens ist die Verfestigung des Materials, die besonders für Gewindesensorgeräte wichtig ist, da das Gewinde bei vorgegebenen Innen- und Außendurchmesser die Hülsenbelastbarkeit reduziert (nachträgliche Gewindeherstellung). Für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe hat sich das Einstechrundkneten als besonders vorteilhaft erwiesen, weil ein besonders steiler Adapter realisierbar ist, d. h. ein großer, im Extremfall auch annähernd rechter Winkel zu den angrenzenden Bereichen frontseitige Hülse (typischerweise mit relativ großem Durchmesser) und endseitige Hülse bzw. Steckerabschnitt (typischerweise mit relativ kleinem Durchmesser). Solche Gehäuseformen lassen sich sogar mit harten Materialien wie Titan, Stahl und Edelstahl erreichen. Dieses Verfahren ist besonders für M12- und M18-Gewindegehäuse geeignet. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass zwei Gehäuse in einem Verfahren hergestellt werden können, was beim Vorschubrundkneten nicht möglich ist.
Im Gegensatz zum Vorschub-Verfahren wird beim Einstechverfahren das Werkstück unter die geöffneten Werkzeuge gestellt. Eine axiale Vorschubbewegung des Werkstücks erfolgt nicht. Während des Umformprozesses erfolgt eine Veränderung der Hublage des Werkzeuges durch ein gesteuertes, dem eigentlichen Werkzeughub überlagertes Öffnen und Schließen der Werkzeuge. Anstelle der Ausgleichsplatten sind hierfür zwischen Stößel und Werkzeug axial verschiebbare Keile angeordnet. Durch eine Kombination des Vorschub- und Einstech-Verfahrens lassen sich Reduzierungen in der Mitte des Bauteils erzeugen, die nicht durch die Länge des Werkzeugs begrenzt sind. Hierdurch sind örtliche Querschnittsverminderung (auch in der Werkstückmitte) sowie steilere Übergangswinkel erreichbar.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren ist das Einstech-Rundknetverfahren über Dorn, da gleichzeitig mit dem Rundkneten des Werkstückes bzw. Rohres der richtige innere Durchmesser und/oder innere Profile hergestellt werden können, z. B. Stege in Längsachsrichtung, die zur Aufnahme und Halterung von Komponenten, z. B. einer Elektronikplatine dienen. Durch zusätzlich eingesetzte Dome können während der Bearbeitung des Außendurchmessers sowohl mit dem erst- als auch mit dem zweit-genannten Verfahren komplexe und hochpräzise Innenkonturen hergestellt werden. Dadurch kann eine nachträgliche Herstellung von Konturen entfallen.
Aufgrund der bei größeren Geräten hohen notwendigen Wandstärken bei Gehäusedurchmessern von z. B. 16–40 mm sind große Kräfte und eine spezielle Technik notwendig, um die geforderten Umformgrade bei Einhaltung der geforderten geometrischen Präzision zu erreichen. Hier ist das Vorschubrundkneten, vorzugsweise über Dorn, besonders geeignet. Durch eine kleine Vorschubgeschwindigkeit lässt sich auch schwer bearbeitbares Material wie Edelstahl in gewünschter Weise umformen und auch eine hohe Steilheit im Adapterbereich realisieren.
Der Vorteil des Rundknetverfahrens als Kaltumformverfahren besteht vor allem darin, dass relativ dickwandige Werkstücke für Gewinde- und Nichtgewindesensorgeräte, d. h. vor allem im für Standard-Gewinde-Sensorgehäuse interessanten Bereich von etwa 0,5–1,8 mm (vor dem Gewindeschneiden), vor allem zylinderförmige Rohre aus relativ hartem Material wie Stahl und Messing, in besonderem Maße preiswert umgeformt werden können. Dies bedeutet, dass nicht nur Sensorgehäuse mit linear verändertem bzw. konischem Querschnitt effektiv hergestellt werden können, sondern auch nichtlinear veränderliche Querschnitte, insbesondere große Querschnittsänderungen mit ein oder mehreren starken Stufen, wobei für mindestens eine Stufe auch ein senkrechter Bereich herstellbar ist. Ein weiterer großer Vorteil ist, das trotz des großen, z. T. extremen Umformgrades im Bereich der Stufe bzw. des Adapters die Verwendung von längsnahtgeschweißten zylinderförmigen Rohren möglich ist ohne das es zur Rissbildung beim Umformen kommt.
Durch das Rundkneten wird eine sehr kleine Rauhtiefe von kleiner als 6,3 μm an der Innenwandung des Steckerabschnittes erzielt. Damit sind diese Flächen unmittelbar für eine Abdichtung mit O-Ringen geeignet. Eine aufwendige Nachbearbeitung bzw. separate Herstellung der Dichtflächen ist nicht mehr notwendig. Auch Werte von kleiner als 1–2 μm sind realisierbar. Ein weiterer Vorteil des Rundknetverfahrens ist, dass ein großes Verhältnis von Länge des Sensorgehäuses zu maximalem Außendurchmesser erreichbar ist.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand mehrere in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses für einen induktiven Nährungsschalter vor dem Einsetzen einzelner Module zu einem Sensorgerät
2 Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses
2a Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in 2
2b Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses gemäß 2
3a Perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses gemäß 2
3b Weitere perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses gemäß 2.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes einstückiges Sensorgehäuse 1 eines induktiven Nährungsschalters vor dem Einsetzen einzelner Module wie Sensormodul 5a, Elektronikplatine 5b sowie Steckerteil 9 dargestellt, das durch Einstechrundkneten hergestellt wurde. Die Verhältnisse entsprechen in etwa dem eines M18-Gerätes mit einem M12-Steckeranschluß. Das Sensormodul 5a umfasst im Wesentlichen ein Sensorelement 21 in Form einer Spule 20 mit einer entsprechenden Halterung 22, die als Deckel (21) ausgebildet oder an diesem befestigt ist. Das Sensorgehäuse 1 weist einen Hülseabschnitt 3 mit einer Frontöffnung 30 und einen Steckerabschnitt 7 (Adapter 7a und Endabschnitt 7e mit Endabschnittsöffnung 7o) mit jeweils unterschiedlichen Durchmessern auf. Typischerweise besitzen induktive Nährungsschalter einen M8- oder M12-Steckeranschluss. Der Steckerabschnitt 7 dient zur Aufnahme des Steckerteils 9, an dem ein Leuchtelement in Form einer Leuchtdiode LED 8 vorgesehen ist, die über die Öffnung 8a zur Signalisierung des Schaltzustandes oder anderer Funktionen oder Zustände des induktiven Näherungsschalters dient.
1 dient auch zur Erläuterung eines bekannten Näherungsschalters, wobei hier von einem dreistückigen Sensorgehäuse 1 ausgegangen wird, d. h. der scheibenförmig ausgebildete Adapter 7a muss nach der Gewindeherstellung 3g, 7g des Hülsenabschnittes 3 und des Endabschnittes 7e und der Montage der Komponenten mit dem Gehäuseabschnitt (3) dauerhaft und dicht mit dem gewindelosen Teil des Hülsenabschnittes 3 verbunden werden, wobei beide Verbindungsstellen dauerhaft und dicht sein müssen. Beim Zusammenbau eines herkömmlichen induktiven Nährungsschalters in der Produktion, wird erst die Elektronikplatine 5b, die zuvor mit dem Sensormodul 5 verbunden wurde, in den Hülseabschnitt 3 des Sensorgehäuses 1 eingebracht. Die Elektronikplatine 5b weist einen nicht gezeigten, relativ langen Leiterfilmlappen zur Verbindung mit dem Steckerteil 9 auf. Anschließend wird das Sensormodul 5a in den Hülseabschnitt 3 eingeschoben. Dann wird der Leiterfilmlappen des Elektronikmoduls 5 mit dem Steckerteil 9 verbunden und das Steckerteil 9 in den Steckerabschnitt 7 zu einem Stecker 10 eingeschoben. Erst danach kann der am Steckerabschnitt 7 vorgesehene Adapter 7a mit dem Hülseabschnitt 3 verschweißt oder verbördelt werden. Das mittels Rundkneten, insbesondere Vorschubrundkneten, hergestellte erfindungsgemäße Sensorgehäuse 1 ermöglicht nicht nur die einstückige Ausbildung des Steckerabschnittes 7 ( Adapter 7a und Endabschnitt 7e) und die einstückige Ausbildung von Steckerabschnitt 7 und Hülseabschnitt 3, sondern auch die geforderte Stufung bzw. Durchmesserreduzierung, die hier etwa dem Verhältnis von 18 zu 12 entspricht und die Steilheit des Adapters, die etwa 45 Grad beträgt.
In 2 ist, ebenso wie in 1, das erfindungsgemäße Sensorgehäuse 1 für einen induktiven Nährungsschalter mit einem idealisierten, d. h. rechtwinkligem äußeren Verbindungsbereich 7v1 dargestellt, dass als Rundknetteil aus einem einzigen Stück längsnahtgeschweißtem und kalt nachgezogenem Edelstahlrohr im Vorschubrundknetverfahren über Dorn hergestellt ist. Die Verhältnisse entsprechen in etwa dem eines M30-Gerätes mit einem M12-Steckeranschluß. Der Hülseabschnitt 3 (mit einer Frontöffnung 30), Adapter 7a und der Endabschnitt 7e des Steckerabschnittes 7 sind entsprechend dem Herstellungsverfahren einstückig. Dadurch entfällt die Dicht- und Verbindungsproblematik zwischen Hülseabschnitt 3, Adapter 7a und Endabschnitt 7e des Steckerabschnittes 7 und auch der zusätzliche Arbeitschritt bei der Fertigung. Am Außenumfang des Hülseabschnitts 3 sind jeweils Nuten 14 bzw. Nutstege 14a vorgesehen. Die Nutstege 14a dienen als Teil eines segmentierten Gewindes. Im Innern des Hülseabschnitts 3 verlaufen jeweils einander gegenüberliegende Führungsstege 12, die zur Aufnahme und Führung für die Elektronikplatine 5b dienen. Der besondere Vorteil des Rundknetverfahrens bezüglich des Ausgangsmaterials ist, dass keine teuren nahtlos gezogenen Metallrohre, insbesondere Edelstahlrohre, eingesetzt werden müssen, sondern preiswerte, längsnahtgeschweißte, kalt nachgezogene Rohre eingesetzt werden können, die im Gegensatz zur Herstellung mittels Tiefziehverfahren nicht reißen und die zugleich die für direkte O-Ringdichtung notwendige Rauhtiefe der Innenoberfläche Ra ≤ 6,3 μm aufweisen.
In 3a bzw. 3b sind jeweils perspektivische Darstellungen auf die Vorderseite bzw. auf die Rückseite des Hülseabschnitts 3 dargestellt.
Nachfolgend ist die Funktion und der Inhalt der Erfindung näher erläutert. Das gesamte Sensorgehäuse wird aus einem Metallrohr hergestellt, z. B. aus einem preiswerten längsnahtgezogenen zylindrischen Edelstahlrohr oder einem gezogenen Messingrohr. Vier Werkzeugsegmente bzw. Werkzeuge, die das Werkstück umschließen, führen in schneller Folge gleichzeitig radiale Auf- und Abwärtsbewegungen durch. Bei jeder Abwärtsbewegung des Werkzeugsatzes wird ein Teil des Werkstückes umgeformt. Das Werkzeug versetzt dem Werkstück radiale Schläge und gibt dem Werkstück dadurch einen schmaleren Querschnitt. Insbesondere müssen die Nuten 14 nicht in einem separaten Arbeitsschritt gefräst werden, wenn ein Rundknetverfahren über Dorn eingesetzt wird. Auch die Führungsstege 12 sind dann bereits nach dem Pressvorgang vorhanden. Durch Schneiden eines Gewindes in die Nutstege 14a erhält man in einfacher Weise ein segmentiertes Gewinde, was die Verschraubung des Sensorgehäuses in ein entsprechendes Gegenstück schnell und einfach ermöglicht. Mit einer Drehung des Sensorgehäuses um weniger als 60° kann eine sichere und feste Fixierung des Sensorgerätes oder des induktiven Nährungsschalters gewährleistet werden.
Das Sensorgehäuse ist vorzugsweise aus rostfreiem Edelstahl, Messing oder Aluminium gefertigt. Zum Schutz gegen Korrosion kann das Sensorgehäuse ggf. eloxiert, verchromt oder vernickelt werden. Dies ist vor allem bei Aluminium- und Messinggehäusen sinnvoll. Der Vorteil der rostfreien Edelstahlausführung wie V4A (1.4401 X5CrNiMol7-12-2) oder V2A (1.4301 X5CrNi18-10) ist, daß neben der guten Umformbarkeit eine solche Beschichtung entbehrlich und das Gehäuse sehr mechanisch und chemisch belastbar ist. In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist das Sensorgehäuse in einem Farbton eloxiert, den der Anwender mit der Herstellungsfirma des Sensors identifiziert. Neben Rundgehäusen können selbstverständlich auch rechteckig- bzw. quaderförmig ausgebildete Gehäuse in Rundknettechnik hergestellt werden. Durch die Herstellung des Sensorgehäuses in Rundknettechnik ist eine einfache, schnelle und kostengünstige Fertigung möglich. Durch entsprechend geformte Dorne bzw. Werkzeuge können insbesondere außen- und/oder innenliegende Führungsnuten bzw. Nuten 14, 14a bzw. Stege 12 durch entsprechenden Axialvorschub oder auch mittels des Einstechrundknetverfahrens gefertigt werden. Der besondere Vorteil des Rundknetverfahrens, insbesondere des Einstechrundknetverfahrens, liegt darin, dass nicht nur Sensorgehäuse 1 mit relativ kleinem Durchmesser, z. B. 10–40 mm bzw. kleinen Gehäusewandstärken, einstückig, mit hoher Oberflächenqualität, steilem Adapter 7a und hohem Durchmesserverhältnis von Hülseabschnitt zu Steckerabschnitt von mindestens 1,4 (und sogar über 1,8) hergestellt werden können, sondern derartige Eigenschaften auch für M18- und sogar für M30-Geräte erreichbar sind. Gerade bei Gewinde-Sensorgehäuse mit größerem Durchmesser besteht das Problem, das ja ein Außengewinde nach dem inkrementellen Umformen auf den Hülseabschnitt geschnitten werden muss. Bei M30-Geräten mit dem üblichen metrischen Feingewinde M30 × 1,5 mit einer Steigung von 1,5 mm, einer Gewindetiefe von 0,92 mm nach DIN 13-2 bis 10 bzw. DIN 150261 bedeutet dies, dass bei einer gewünschten Wandstärke des Sensorgehäuses 1 von 0,78 mm ein Ausgangsrohr 30 mm × 1,7 mm mit einem Innendurchmesser von 26,6 mm verwendet werden muss. Der Kerndurchmesser des Gewindesteiles des Hülseabschnittes 3 beträgt 28,16 mm. Für das gewünschte einstückige Gehäuse 1 mit einer Durchmesserreduzierung von über 50% bzw. einem Durchmesserverhältnis von über 1,8 bedeutet dies, das nicht ein hartes Rohr mit 0,78 mm Wandstärke umgeformt werden muss, sondern aufgrund des notwendigen Feingewindes ein verhältnismäßig kleines Edelstahlrohr mit 1,7 mm Wandstärke, d. h. mit 218% Prozent größerer Wandstärke. Die Wandstärke des Ausgangsrohres für ein M30 × 1,5-Gewindesensorgerät muss also um mindestens 200% größer sein als bei einem entsprechenden Glattrohr-Sensorgerät!
Bei M12 × 1-Feingewinde-Sensorgehäusen 1 mit einem M8-Steckerabschnitt 7 ergibt sich bei einem Rohrinnendurchmesser von 10,0 mm und einem Kerndurchmesser d3 von 10,77 mm eine effektive symmetrische Nennwandstärke nach dem Gewindeschneiden von 0,385 mm. Die Wandstärke des Ausgangsrohres beträgt 1 mm und ist damit um 259% größer als die effektive symmetrische Nennwandstärke. Bei M18 × 1,0-Feingewinde-Sensorgehäusen 1 mit einem M12-Steckerabschnitt 7 ergibt sich bei einem Rohrinnendurchmesser von 15,2 mm und einem Kerndurchmesser d3 von 16,77 mm eine effektive symmetrische Nennwandstärke nach dem Gewindeschneiden von 0,535 mm. Die Wandstärke des Ausgangsrohres beträgt 1,4 mm und ist damit um 261% größer als die effektive symmetrische Nennwandstärke. Trotz der gegenüber Glattrohr-Sensorgehäusen um fast 300% größeren Wandstärke der umzuformenden Rohre lässt sich mit dem Rundknetverfahren ein hoher Umformgrad, ein steiler Adapter und eine sehr hohe Oberflächenqualität sowohl für die Innenwandung als auch für die Außenwandung der umgeformten Bereiche erreichen, besonders in den O-Ring-Dichtungsbereichen des Sensorgerätes.
Für die Praxis, vor allem für Näherungssensoren und Näherungsschalter, ist es sinnvoll, das Sensorgehäuse 1 im Bereich des Hülseabschnittes 3 als 10- bis 40-mm-Rundgehäuse mit Feingewinde 3g vorzusehen, vorzugsweise mit metrisches Feingewinde 3g mit einem Außendurchmesser von 12, 18, oder 30 mm (M12, M18, M30), und im Bereich des Endabschnittes 7e des Steckerabschnittes 7 ein 7- bis 14-mm-Rundgehäuse mit Feingewinde 7g vorzusehen, vorzugsweise ein metrisches Feingewinde 7g mit einem Außendurchmesser von 8 oder 12 mm (M8, M12).
Mit dem Rundknetverfahren sind präzise Verformungen bei gleichzeitiger sehr unterschiedlicher Durchmesserverringerung solch relativ kleiner Werkstücke nicht möglich, insbesondere nicht für solche schwer umformbaren Stoffe wie Stahl. Es wurde gefunden, dass das Rundknetverfahren sehr gut geeignet ist, die gestellten Aufgaben zu lösen, auch für kritische Materialien wie schwer verformbare Metallrohre oder -profile, insbesondere Stahl, Edelstahl, Titan und Messing. Es lassen sich für Gehäuse mit 10–40 mm Außendurchmesser aus Messing oder Stahl Durchmesserreduzierungen von mindestens 1,4 erreichen, bei Außendurchmesser von 18 mm oder mehr sogar von mindestens 1,8 auf kleinstem Raum. Dies bedeutet auch, dass lange, uneffektive oder störende Schrägen entfallen können, d. h., dass sehr steile Adapter 7 und kurze Gerätelängen machbar sind. Ist dieser Bereich, wie in 2 gezeigt, sehr groß, so lassen sich 90-Grad bzw. annähernd 90-Grad-Winkel im inneren und/oder äußeren Verbindungsbereich 7v2, 7v1 erreichen. Für den äußeren Verbindungsbereich 7v1 sind für Edelstahl-Sensorgehäuse von 30 mm Außendurchmesser und einer Ausgangsrohr-Wandstärke von 1,7 mm minimale Krümmungsradien von unter 3–5,5 mm erreichbar. Für den inneren Verbindungsbereich 7v2 sind für Sensorgehäuse von 10–40 mm Außendurchmesser sogar minimale Krümmungsradien von unter 0,6–1,1 mm erreichbar. Dies ermöglicht eine sehr effektive Platzausnutzung innerhalb des Gehäuses 1 und damit kurze Baulängen der Geräte, aber auch eine gute Sichtbarkeit der Leuchtdiode 8 durch die Öffnung 8a, die sinnvollerweise in der Nähe des Adapters 7a angeordnet ist. Bei einem derartigen steilen Adapter sind auch ggf. mehr als ein Leuchtelement (LED 8 mit Öffnung 8a) in Längsrichtung des Sensorgehäuses vor dem Gewindebereich 7g realisierbar.
Sehr vorteilhaft ist die Anwendung des Einstech- und auch des Vorschub-Rundknetverfahrens über Dorn. Bei der Herstellung von Sensorgehäuse mit diesen Verfahren ohne Dorn ist ein nachträgliches Herstellen einer hochglatten, präzisen Innenwandung für das Steckerteil mit O-Ring-Dichtung im Bereich der Öffnung 7o durch Bohren oder Fräsen und ggf. weitere Arbeitsschritte notwendig. Mittels Rundkneten über Dorn ist bei diesem Umformen gleichzeitig die Herstellung einer Innenwandung mit einer für O-Ring-Dichtung notwendigen maximalen Rauhtiefe von 6,3 μm möglich, insbesondere im Steckerabschnitt 7 bei gleichzeitigem Erreichen der vorgegebenen Wandstärke ohne Nachbearbeitung im Bereich des Steckerabschnittes 7.
Ein weiterer Vorteil des Rundknetverfahrens ist, vor allem gegenüber dem Tiefziehverfahren, dass durch das Kaltfließpressen eine Kaltverfestigung des Ausgangsmaterials eintritt. Es findet so eine wesentliche Änderung der Festigkeitseigenschaften des Materials statt: Härte, Bruchfestigkeit und Streckgrenzen steigen an, während Dehnung und Brucheinschnürungen abnehmen. Man erreicht so Festigkeitseigenschaften bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die denen legierter Stähle gleichkommen. Bei sehr starker Beanspruchung hat sich gezeigt, dass die Dauerfestigkeit, und damit auch die Dauerhaftigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstücke wesentlich höher ist als bei tiefgezogenen, gespanten, gesinterten oder gar geschweißten Bauteilen. Die Kaltverfestigung ist vor allem in den äußeren Bereichen 7v1, 7v2 des Adapterbereiches 7a bedeutsam und bei Gewindesensorgehäusen mit geringer Wandstärke und bei Gewindesensorgehäusen aus Aluminum, da dessen Festigkeitwerte relativ gering sind. Damit lässt sich auch gegenüber Tiefzieh-Ausführungen eine sehr stark erhöhte Abriss- und Scherfestigkeit im Adapterübergangsbereich 7v1, 7v2 erzielen. Die Mindestfestigkeit für Al99,5 beträgt im weichgeglühten Zustand nur 70 N/mm², Nach stärkeren Kaltumformung lässt sich ein Wert von 130–140 N/mm² erreichen, d. h. eine annähernde Verdopplung. Da das reine Aluminium, ebenso wie z. B. AlMg3, nicht aushärtbar ist, lässt sich eine positive Veränderung der mechanischen Eigenschaften nur über Kaltverfestigung erreichen.
Ein weiterer Vorteil der Kaltverfestigung ist, dass besonders umformrißempfindliches Material wie längsnahtgeschweißte, kalt nachgezogene Edelstahlrohre als Ausgangsmaterial einsetzbar sind und damit flüssigkeits- und feuchtigkeitsdichte Sensorgehäuse und -geräte, auch mit anspruchsvollen Querschnittsveränderungen, preiswert und in hoher Qualität herstellbar sind. Das hat u. a. auch damit zu tun, dass längsnahtgeschweißte, kalt nachgezogene Stahlrohre, die in der Regel aus Blechbandstahl gewonnen werden, wesentlich preiswerter als nahtlose kaltgezogene Rohre sind. Die Rissbildung ist mit dem Rundknetverfahren sogar bei starken Durchmesserreduzierungen bzw. hohen Durchmesserverhältnissen von mindestens 1,4 verhinderbar, insbesondere auch ein Faktor von 1,8 und mehr. Dadurch lassen sich M18-M12-Gehäuse und sogar M30-M12-Gehäuse (Faktor 2,5) aus Edelstahl rissfrei und dicht herstellen. Zusätzlich ist es sogar möglich, durch noch kleinere Durchmesser zwischen den beiden Gewinden 3g, 7g noch größere Faktoren zu erreichen, d. h. es sind Sensorgehäuse 1 mit Hinterschnitt auf diese Weise erzeugbar.
Ein weiterer Vorteil des Rundknetverfahrens ist, vor allem gegenüber dem Tiefziehverfahren, dass gezielt Materialverdickungen in kritische Bereiche wie dem Adapterbereich 7a, vor allem in seine äußere Bereiche 7v1, 7v2, eingebracht werden können. Damit lässt sich auch gegenüber zwei- und dreistückigen Ausführungen eine sehr stark erhöhte Abriss- und Scherfestigkeit in diesen Bereichen erzielen.
Ein weiterer Vorteil des Rundknetverfahrens ist, dass das Sensorgehäuse 1 ein Rundgehäuse ist, dessen Länge mindestens das 1,5-fache des maximalen Außendurchmesser ist. Bei einem M30-Gerät mit komplizierter bzw. anspruchsvoller Querschnittsverringerung gemäß 2 ist ein Verhältnis von großer 1,9 realisiert.

Die Erfindung kann ebenso auch für andere Näherungsschalter, insbesondere optische oder kapazitive Näherungsschalter verwendet werden, aber auch für digitale und analoge Sensormessgeräte, insbesondere Messgeräte der Prozessmesstechnik wie Druck-, Temperatur- und Strömungssensoren. Bezugszeichenliste

Sensorgehäuse	1
Sensorgerät	2
Hülseabschnitt	3
Gewinde	3g
Frontöffnung	30
Elektronikmodul	5
Elektronikplatine	5b
Sensormodul	5a
Steckerabschnitt	7
Adapter	7a
Endabschnitt	7e
Gewinde	7g
Endabschnittsöffnung	7o
Verbindungsbereich,	7v
Leuchtdiode LED	8
LED-Öffnung	8a
Steckerteil	9
Stecker	10
Führungsstege	12
Nuten	14
Nutstege	14a
Spule	20
Sensorelement	21
Halterung	22
Deckel	23

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 13-2 bis 10 [0030]
DIN 150261 [0030]

Claims

Sensorgehäuse aus einem metallischen Material für ein Sensorgerät, insbesondere für einen induktiven Näherungsschalter, das aus einem länglichen Hülseabschnitt (3), der zur Aufnahme eines Elektronikmoduls (5) dient, und einem Steckerabschnitt (7), der zur Aufnahme eines Steckerteils (9) dient, besteht, wobei der Hülseabschnitt (3) und der Steckerabschnitt (7) unterschiedliche Querschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülseabschnitt (3) und der Steckerabschnitt (7) einstückig als Rundknetteil ausgebildet sind, insbesondere als Rundknetteil über Dorn.
Sensorgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) als Aluminium-, Messing-, Stahl- oder Edelstahl-Teil ausgebildet ist, wobei diese Metalle in legierter Form oder in Reinform verwendet sind.
Sensorgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial für das Gehäuse ein längsnahtgeschweißtes Stahl- oder rostfreies Edelstahlrohr ist, das zylinderförmig ist und/oder einen konstanten Innen- und Außendurchmesser aufweist,
Sensorgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) ein Rundgehäuse mit je einem Außenfeingewinde (3g) im Hülseabschnitt (3) und im Steckerabschnitt (7), wobei der Steckerabschnitt (7) einen reduzierten Außendurchmesser aufweist und die Außenfeingewinde zeitlich nach dem Verfahrensschritt des Rundknetens hergestellt sind.
Sensorgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) im Bereich des Hülseabschnittes (3) ein 10- bis 40-mm-Rundgehäuse ist, vorzugsweise mit metrischem Feingewinde (3g) mit einem Außendurchmesser von 12, 18, oder 30 mm (M12, M18, M30), und im Bereich des Endabschnittes (7e) des Steckerabschnittes (7) ein 7- bis 14-mm-Rundgehäuse ist, vorzugsweise mit metrischem Feingewinde (7g) mit einem Außendurchmesser von 8 oder 12 mm (M8, M12).
Sensorgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Endbereich (7e) des Steckerabschnittes (7) und dem Hülseabschnitt (3) sich ein bezüglich des Querschnittes senkrechter oder fast senkrechter Bereich des Adapter (7a) befindet.
Sensorgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (7v1, 7v2) zwischen Adapter (7a) und dem Hülseabschnitt (3) sowie zwischen Adapter (7a) und dem Endbereich (7e) des Steckerabschnittes (7) annähernd 90-Grad-Winkel sind.
Sensorgehäuse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des maximalen Außendurchmessers des Hülseabschnittes (3) zum minimalen Außendurchmessers des Endbereiches (7e) des Steckerabschnittes (7) im endseitigen Verbindungsbereich (7v2) des Adapters (7a) für Sensorgehäuse aus Stahl mit 10–40 mm Außendurchmesser mindestens 1,4 beträgt, insbesondere mindestens 1,8 für Sensorgehäuse mit einem Außendurchmesser von 18 mm oder mehr.
Sensorgerät mit einem Hülseabschnitt (3), in dem ein Elektronikmodul (5) angeordnet ist und der auf der vorderen Seite von einem Sensormodul (5a) mit einem Sensorelement (21, 20) verschlossen ist, mit einem endseitigen Stecker (10), aufweisend einen Steckerabschnitt (7) und ein Steckerteil (9), und einem Sensorgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1–8, vorzugsweise mit einem Feingewinde.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorgehäuses (1) aus einem metallischen Material für ein Sensorgerät, insbesondere für einen induktiven Näherungsschalter, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) in einem Rundknetverfahren hergestellt ist, insbesondere im Einstechrundknetverfahren oder im Rundknetverfahren über Dorn durch inkrementelle Verformung eines zylinderförmigen längsnahtgeschweißten Ausgangsrohrstückes.