DE102011000544A1 - Process for producing a friction-welded metal part and friction-welded metal part produced thereafter - Google Patents

Process for producing a friction-welded metal part and friction-welded metal part produced thereafter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und mindestens einem daran befestigten Aussenerer Eigenschaften als der Schaft, mit Vorlegen eines Rohlings für das Aussenteil (1) mit einer runden Öffnung (5); Vorlegen eines stangenartigen Schaftrohlings (2) mit einem Endabschnitt (6), dessen Durchmesser grösser als die lichten Weite der runden Öffnung (5) entspricht und zu dieser zentriert angeordnet wird; Reibschweißen des Endabschnitts (6) des stangenartigen Schaftrohlings (2) mit dem Aussenteilrohling (1) unter Ausbildung eines Schweißwulstes (4) unter Eindringen des Endabschnitts (6) in die Öffnung (5) und Erweiterung derselben durch das Reibschweissen, bis zum Auftreffen des Endabschnitts am Ende der runden Öffnung (5) unter Ausbildung eines angeschweissten Aussenteils am Aussenteil (1), wobei die Schweissnaht im Aussenteil konisch verläuft und dieses den Schaftrohling umgibt; Umformen des so hergestellten Rohlings unter Herstellung einer Aussenteilkontur durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Schmieden, Stauchen, Elektrostauchen, Fliesspressen – alle genannten Verfahren im kalten oder halbwarmen oder warmen Temperaturbereich. Sowie danach hergestelltes Teil.The invention relates to a method for producing a friction-welded metal part with a shaft and at least one outer properties attached to it than the shaft, with a blank for the outer part (1) having a round opening (5); Submission of a rod-like shaft blank (2) with an end section (6), the diameter of which is greater than the clear width of the round opening (5) and is arranged centered on it; Friction welding of the end section (6) of the rod-like shank blank (2) to the outer part blank (1) with the formation of a welding bead (4) with penetration of the end section (6) into the opening (5) and expansion of the same by the friction welding, until the end section strikes at the end of the round opening (5) with the formation of a welded-on outer part on the outer part (1), the weld seam running conically in the outer part and this surrounds the shaft blank; Reshaping of the blank produced in this way with the production of an outer part contour using a process selected from the group consisting of: forging, upsetting, electro upsetting, extrusion - all of the processes mentioned in the cold, semi-warm or warm temperature range. As well as part manufactured afterwards.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und einem daran befestigten Aussenteil grösseren Durchmessers als der Schaft sowie auf ein danach hergestelltes reibgeschweißtes Metallteil.The invention relates to a method for producing a friction-welded metal part with a shank and an outer part of larger diameter attached thereto than the shank and a friction-welded metal part produced thereafter.

Nachfolgend wird die Erfindung generell erläutert, sie eignet sich aber insbesondere für an einem Schaft angebrachte Zahnräder, Ventilstössel, Tellerräder, Kegelräder und ähnliches.The invention is generally explained below, but it is particularly suitable for mounted on a shaft gears, valve tappets, crown wheels, bevel gears and the like.

Bisher war es mit hohem Materialeinsatz verbunden, wenn Teile geschmiedet werden sollten, die grosse Durchmesserunterschiede haben, wie die soeben genannten Bauteile. Es war notwendig, mehr Material einzusetzen, als für den eigentlichen Einsatzzweck benötigt wurde, da das Schmiedeverfahren so hohe Umformgrade an einem Teil nicht ermöglichte.Previously, it was associated with high material usage, if parts should be forged, which have large diameter differences, as the just mentioned components. It was necessary to use more material than was needed for the actual purpose, since the forging process did not allow such high degrees of deformation of a part.

Es ist bekannt, zwei Metallteile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bspw. von der DE 32 05 183 A1 bekannt, bei einem Tellerventil den hochbelasteten Ventilboden durch Reibschweissen einen Hochtemperaturwerkstoff ganzflächig aufzubringen. Dadurch wird eine ganzflächige Verstärkung der Bodenfläche eines rotationssymmetrischen Tellers erzielt, nicht jedoch eine seitliche Panzerung der stark beanspruchten Seitenwände desselben.It is known to join two metal parts together by friction welding. In particular, it is, for example, from the DE 32 05 183 A1 it is known to apply a high-temperature material over its entire surface in a poppet valve to the highly loaded valve base by friction welding. As a result, a full-surface reinforcement of the bottom surface of a rotationally symmetrical plate is achieved, but not a lateral armor of the heavily used side walls of the same.

Es ist häufig erwünscht, an einem Schaft hochbeanspruchbare Aussenteile sicher anzubinden, wobei die Beanspruchung dieser Aussenteile wesentlich an deren Randbereichen stattfindet. Typisch sind dafür belastete Transportrollen mit Rollachsen, Zahnräder, Ventilteller, Flügelräder, Tellerräder, Kegelräder etc., die höhere Beanspruchungen standhalten müssen, als das Schaftmaterial. Sei es aufgrund des Mediums, in dem diese arbeiten (bspw. Flügel von Mischmaschinen oder Förderern) oder aber aufgrund der mechanischen Beanspruchung, wie bei Zahnkränzen.It is often desirable to securely fasten heavy-duty exterior parts to a shaft, wherein the stress on these exterior parts takes place substantially at their edge regions. Typical for this are loaded transport rollers with rolling axles, gears, valve disks, impellers, crown wheels, bevel gears, etc., which have to withstand higher stresses than the shaft material. Be it due to the medium in which they work (eg blades of mixing machines or conveyors) or because of the mechanical stress, as in sprockets.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und sichere Verbindung von zwei Metallteilen zu schaffen, von denen eines ein Aussenteil und das andere ein daran befestigter stangenartiger Schaft ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst sowie durch ein danach hergestelltes Teil. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.It is an object of the invention to provide a simple and secure connection of two metal parts, one of which is an outer part and the other is a rod-like shaft attached thereto. According to the invention the object is achieved by a method according to claim 1 and by a part produced thereafter. Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Das verbundene Metallteil ist herstellbar durch: Reibschweißen des stangenartigen Teils auf/in der Bohrung des gelochten Aussenteils, wobei die Längsachse des stangenartigen Teils mit der Zentralachse der runden Öffnung fluchtet, unter Durchdringen eines Vorderabschnitts der Stange durch die runde Öffnung unter Herstellung eines Schweißwulstes an dem Ort, an dem das stangenartige Teil auf dem Aufnahmeteil mit einer runden Öffnung aufliegt; und Schmieden der reibgeschweißten Metallanordnung unter Ausformen der Aussenkontur des Aussenteils. Ggf. fliesst material des Aussenteils rechtwinkelig zur Längsachse des stangenartigen Schafts unter Herstellung eines umgeformten Aussenteils. Beim Schmieden tritt noch dazu die vorteilhafte Kaltverfestigung des Aussenteilmaterials auf. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The bonded metal part is producible by: friction welding the rod-like part on / in the bore of the perforated outer part, the longitudinal axis of the rod-like part being aligned with the central axis of the round opening, penetrating a front section of the rod through the round opening to produce a weld bead on the Place where the rod-like part rests on the receiving part with a round opening; and forging the friction welded metal assembly to form the outer contour of the outer part. Possibly. flows material of the outer part perpendicular to the longitudinal axis of the rod-like shaft to produce a reshaped outer part. When forging occurs on the other hand, the advantageous work hardening of the outer part material. Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Dadurch, dass die beiden zu verbindenden Metallteile durch Reibschweißen und mechanisch durch das gemeinsame Umformen, wie Schmieden, miteinander verbunden werden, kann einfach ein Aussenteil mit zentrisch daran angebrachtem Schaft erzielt werden. Da für das Aussenteil nur das im Aussenbereich benötigte Material im hohlen Rohling vorgelegt wird, kann gegenüber dem Stand der Technik, welcher ganzflächige Aussenteile an einem Schaft aus meist weniger aufwendigem Material befestigen musste, eine erhebliche Materialersparnis erzielt werden, denn das Schaftmaterial ersetzt Material im Aussenteil. Ferner ist es möglich, weniger Material einzusetzen, weil der kritische Bereich hohen Umformgrads beim Übergang von Stange zu Aussenteil nicht geschmiedet werden muss. Es können dadurch bei komplexeren Teilen, wie Kegelrädern, Matertalersparnisse um 25% erzielt werden – je nach Teil fällt diese Ersparnis unterschiedlich aus.The fact that the two metal parts to be joined by friction welding and mechanically by the common forming, such as forging, are connected to each other, an outer part can be achieved with centrally attached shaft simply. Since only the material required for outdoor use is presented in the hollow blank for the outer part, a considerable saving of material can be achieved over the prior art, which entire outer parts had to attach to a shaft usually less expensive material, because the upper material replaced material in the outer part , Furthermore, it is possible to use less material, because the critical region of high degree of deformation does not have to be forged during the transition from rod to outer part. It can be achieved with more complex parts, such as bevel gears, Matertalerparnisse by 25% - depending on the part of this savings are different.

Zum erfolgreichen Verbinden kann bspw. ein Schmiedehub die Verbindung zwischen den beiden reibgeschweissten Metallteilen verbessern.To successfully connect, for example, a forging can improve the connection between the two friction welded metal parts.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste zu verbindende Metallteil ein Flügelradrohling mit Bohrung und das zweite zu verbindende Metallteil ein Schaftrohling.In a preferred embodiment of the invention, the first metal part to be joined is a vane blank with a bore and the second metal part to be joined is a stem blank.

Es kann so aber auch ein Tellerventil für Motoren oder aber Flügelräder für Verdichterpumpen, Hubkolbenpumpen hergestellt werden.But it can also be a poppet valve for engines or impellers for compressor pumps, reciprocating pumps are produced.

Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität eines gebauten Metallbauteils zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches Metallbauteil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff des ersten und des zweiten Metallteils in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise das Aussenmetallteil eine feste bzw. auch eine hoch feste Legierung wie Hochtemperaturstahl (Definition für hochfeste Legierung: s. ”Stahlschlüssel” 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007 ); eine Titanlegierung; eine Aluminiumlegierung, eine Edelstahllegierung oder sonstiges Metall eingesetzt werden und und für das zweite Metallteil ein minderwertiger/weicherer oder preiswerteres Metall – bspw. auch mit selbstschmierenden Eigenschaften. Es versteht sich, daß sich die Werkstofflegierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.In order to improve the quality of a built metal component for certain requirements and at the same time produce a very economical metal component, it may be advantageous if the material of the first and the second metal part in the alloy is different. For example, the outer metal part may be a solid or a high-strength alloy, such as high-temperature steel (definition for high-strength alloy: s. "Stahlschlüssel" 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007 ); a titanium alloy; an aluminum alloy, a stainless steel alloy or other metal are used and and for the second metal part an inferior / softer or cheaper metal - eg. With self-lubricating properties. It is understood that the material alloys refer to both steel or aluminum alloys or a combination of steel and aluminum alloy.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von Ausgangsteilen verwendbar sind.It is understood that the features mentioned above and below are not only usable in the particular combination given, but also in other combinations of starting parts.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines reibgeschweißten Metallteils unter Bezugnahme auf die dazugehörige Zeichnung näher erläutert, auf die sie keineswegs eingeschränkt ist. Es zeigen:The invention is explained in more detail below by way of example with reference to a frictionally welded metal part with reference to the accompanying drawing, to which it is by no means limited. Show it:

1 den Beginn des Schweissverfahrens, wobei die beiden zu verbindenden Teile vor dem Verbindungsvorgang miteinander ausgerichtet sind; und 1 the beginning of the welding process, wherein the two parts to be joined are aligned before the joining process; and

2 das Reibschweißen des stangenartigen Schaftteils mit dem Aussenteil; 2 the friction welding of the rod-like shaft part with the outer part;

3 ein mit einem ersten Schmiedehub umgeformtes Ventilteil der 2; und 3 a formed with a first forging valve part of the 2 ; and

4 ein fertig umgeformtes Teil, bei dem aufgrund der Schmiede-Kaltverfestigung eine Panzerung der Aussenbereiche erfolgt ist. 4 a finished formed part, in which due to the forge-work hardening an armoring of the outer areas is done.

5a die Herstellung eines Kegelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren; 5b die erfindungsgemässe Herstellung eines Kegelrades mit Hinterschneidung 5a the production of a bevel gear according to the inventive method; 5b the inventive production of a bevel gear with undercut

6 die Herstellung eines Flügelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren 6 the production of an impeller according to the inventive method

7 die Herstellung eines Tellerrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren 7 the production of a ring gear according to the inventive method

1–4 zeigen die Herstellung eines gepanzerten Tellerventils nach dem erfindungsgemässen Verfahren. 1 zeigt die beiden Ausgangsteile – das Aussenteil 1 mit der Bohrung 5 und das stangenartige Teil 2, das einen etwas größeren Außendurchmesser als die lichte Weite der Bohrung 5 besitzt. Das stangenartige Teil 2 wird nun auf die Bohrung 5 des gelochten Aufnahmeteils 1 ausgerichtet, wobei die Längsachse des stangenartigen Teils 2 mit der Zentralachse der runden Öffnung 5 fluchtet, und unter Durchdringen des Vorderabschnitts der Stange 2 durch die runde Öffnung 5 unter Ausbildung einer konischen Schweissfläche im Aussenteil und unter Herstellung eines Schweißwulstes 4 an dem Ort, an dem das stangenartige Teil 2 auf dem Aufnahmeteil mit einer runden Öffnung 5 aufliegt, reibgeschweißt. Der Reibschweißbereich 8 bildet sich in der Bohrung 5 und ein Reibschweißwulst 4 entsteht auf der Aufnahmeteiloberfläche beim Eintritt des stangenartigen Teils 2. Das Reibschweißen wird nun so lange durchgeführt, bis das Ende des stangenartigen Teils 2 die Bohrung 5 durchsetzt hat und mit der Aussenfläche des Aussenteils 1 fluchtet. 1 - 4 show the production of an armored poppet valve according to the inventive method. 1 shows the two starting parts - the outer part 1 with the hole 5 and the rod-like part 2 that has a slightly larger outside diameter than the inside diameter of the hole 5 has. The rod-like part 2 will now be on the hole 5 of the perforated receiving part 1 aligned, with the longitudinal axis of the rod-like part 2 with the central axis of the round opening 5 Aligns, and by penetrating the front portion of the rod 2 through the round opening 5 forming a conical welding surface in the outer part and producing a Schweißwulstes 4 in the place where the rod-like part 2 on the receiving part with a round opening 5 rests, friction welded. The friction welding area 8th forms in the hole 5 and a Reibschweißwulst 4 arises on the receiving part surface at the entrance of the rod-like part 2 , The friction welding is now carried out until the end of the rod-like part 2 the hole 5 has interspersed and with the outer surface of the outer part 1 flees.

Nun wird die so reibgeschweißte Metallanordnung durch Umformen des so befestigten Aussenteils nach dem Reibschweißen geformt, wodurch dann eine endgültige, auch formschlüssige Verbindung zwischen beiden Teilen erzielt wird.Now, the friction-welded metal assembly is formed by forming the thus-secured outer part after friction welding, whereby then a final, even positive connection between the two parts is achieved.

Auf diese Art und Weise wird eine gesicherte Reibschweißverbindung zwischen zwei Teilen unter Ersparnis an Aussenteilmaterial hergestellt.In this way, a secure Reibschweißverbindung between two parts is produced while saving on external material.

Ein typisches stangenartiges Teil 2 ist aus einer Eisenlegierung. Ein geeignetes Aufnahmeteil 1 ist bspw. aus einer hochlegierten Stahl, wie Nimonic oder einer sonstigen Edelstahllegierung.A typical rod-like part 2 is made of an iron alloy. A suitable receiving part 1 is, for example, from a high-alloy steel, such as Nimonic or other stainless steel alloy.

In 5 ist die Herstellung eines Kegelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren gezeigt – deutlich ist ersichtlich, wie der Schaftrohling 2 zentriert in eine konisch verlaufende Öffnung des Kegelrades 1 reibgeschweisst wird und so eine hinterschnittene Form des Kegelanschlusses erzielt werden kann mit der Folge einer entsprechenden Material- und Gewichtsersparnis. Es ist auch möglich, hohles Schaftmaterial reibzuschweissen, wodurch weitere Materialersparnis erfolgen kann.In 5 the production of a bevel gear according to the inventive method is shown - it is clear how the shaft blank 2 centered in a conical opening of the bevel gear 1 is reibgeschweisst and so an undercut shape of the conical connection can be achieved with the result of a corresponding material and weight savings. It is also possible to reibverschweissen hollow shaft material, whereby further material savings can be made.

6 zeigt die Herstellung eines Flügelrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren, wobei ein Flügelradrohling mit einer zentrischen geraden Bohrung mit einem Schaftrohling unter Herstellung einer konvex zulaufenden Reibschweissfläche verbunden wird. 6 shows the production of an impeller according to the inventive method, wherein an impeller blank is connected with a centric straight bore with a shaft blank to produce a convexly tapered Reibschweissfläche.

7 zeigt die Herstellung eines Tellerrades nach dem erfindungsgemässen Verfahren, wobei das hohle Schaftmaterial mit dem Tellerradrohling reibverschweisst und dann umgeformt wird. 7 shows the production of a ring gear according to the inventive method, wherein the hollow shaft material is friction-welded to the Tellerradrohling and then formed.

Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, sind für den Fachmann, an den sich die Erfindung wendet, verschiedenste alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung ersichtlich, wie von den beigefügten Ansprüchen definiert.While preferred embodiments of the invention have been described in detail, various alternative designs and embodiments for carrying out the invention will be apparent to those skilled in the art to which this invention belongs, as defined by the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3205183 A1 [0004] DE 3205183 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • s. ”Stahlschlüssel” 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007 [0012] s. "Stahlschlüssel" 2007, Verlag Stahlschlüssel Wegst 2007 [0012]

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Metallteils mit einem Schaft und mindestens einem daran befestigten Aussenteil grösseren Durchmessers als der Schaft und anderer Eigenschaften als der Schaft, gekennzeichnet durch: Vorlegen eines Rohlings für das Aussenteil (1) mit einer runden Öffnung (5); Vorlegen eines stangenartigen Schaftrohlings (2) mit einem Endabschnitt (6), dessen Durchmesser grösser als die lichten Weite der runden Öffnung (5) entspricht und zu dieser zentriert angeordnet wird; Reibschweißen des Endabschnitts (6) des stangenartigen Schaftrohlings (2) mit dem Aussenteilrohling (1) unter Ausbildung eines Schweißwulstes (4) unter Eindringen des Endabschnitts (6) in die Öffnung (5) und Erweiterung derselben durch das Reibschweissen, bis zum Auftreffen des Endabschnitts am Ende der runden Öffnung (5) unter Ausbildung eines angeschweissten Aussenteils am Aussenteil (1), wobei die Schweissnaht im Aussenteil konisch verläuft und dieses den Schaftrohling umgibt; Umformen des so hergestellten Rohlings unter Herstellung einer Aussenteilkontur durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Schmieden, Stauchen, Elektrostauchen, Fliesspressen – alle genannten Verfahren im kalten oder halbwarmen oder warmen Temperaturbereich.Method for producing a friction-welded metal part with a shank and at least one outer part of larger diameter attached thereto than the shank and other properties than the shank, characterized by: presenting a blank for the outer part ( 1 ) with a round opening ( 5 ); Presenting a rod-like shaft blank ( 2 ) with an end portion ( 6 ) whose diameter is greater than the clear width of the round opening ( 5 ) and is centered on this; Friction welding of the end section ( 6 ) of the rod-like shaft blank ( 2 ) with the outer part blank ( 1 ) forming a weld bead ( 4 ) under penetration of the end section ( 6 ) in the opening ( 5 ) and extension of the same by the friction welding, until the impact of the end portion at the end of the round opening ( 5 ) forming a welded outer part on the outer part ( 1 ), wherein the weld in the outer part is conical and this surrounds the stem blank; Forming of the blank thus produced to produce an outer contour by a method selected from the group consisting of: forging, upsetting, electric upsetting, extrusion - all the above methods in the cold or semi-warm or warm temperature range. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (1) ein mechanisch belastbareres Metall als der Schaftrohling (2) aufweistMethod according to claim 1, characterized in that the outer part ( 1 ) a mechanically stronger metal than the stem blank ( 2 ) having Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (1) ein chemisch widerstandsfähigeres Metall als der Schaftrohling (2) aufweist.Method according to claim 1, characterized in that the outer part ( 1 ) a chemically more resistant metal than the stem blank ( 2 ) having. Reibgeschweisstes Metallteil mit mindestens einem Aussenteil (1) und einem darin festgeschweissten Schaft (2), wobei das Aussenteil (1) eine konisch zulaufende Befestigungsfläche mit dem Schaft (2) besitzt und der Schaft an der Bodenfläche des Aussenteils (1) freiliegt bzw. bündig damit abschliesst.Reibgeschweisstes metal part with at least one outer part ( 1 ) and a shaft welded therein ( 2 ), the outer part ( 1 ) a tapered mounting surface with the shaft ( 2 ) and the shaft on the bottom surface of the outer part ( 1 ) is exposed or flush with it. Reibgeschweisstes Metallteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgewählt ist aus an einem Schaft befestigten Zahnrädern, Rollen, Flügelrad, Tellerventilen, Kegelrädern, Tellerrädern; Flügelrädern.A friction welded metal part according to claim 3, characterized in that it is selected from gears, rollers, impeller, poppet valves, bevel gears, ring gears mounted on a shaft; Impellers.
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