DE102011086791A1 - Verfahren zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstückes und Bohrungsverschlussvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstückes und Bohrungsverschlussvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstückes sowie eine Bohrungsverschlussvorrichtung. Bei diesem Verfahren wird eine Bohrung in das Werkstück eingebracht, welche in einem oberflächennahen Bereich des Werkstücks einen größeren Durchmesser aufweist als in einem oberflächenfernen Bereich des Werkstücks, wobei zwischen dem oberflächennahen Bereich und dem oberflächenfernen Bereich eine Stufe gebildet wird. Dann erfolgt ein Einführen eines Verschlussdeckels, dessen Durchmesser dem Innendurchmesser der Bohrung im oberflächennahen Bereich des Werkstückes entspricht, in die Bohrung. Danach erfolgt eine Befestigung des Verschlussdeckels in der Bohrung mittels eines Ultraschallschweißvorganges oder eines Rotationsreibschweißvorganges.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstückes sowie eine Bohrungsverschlussvorrichtung.
  • Im Rahmen eines Fertigungsprozesses ist es oftmals notwendig, in ein Werkstück Bohrungen einzubringen. Zumindest ein Teil dieser Bohrungen muss in vielen Fällen am Ende des Fertigungsprozesses wieder verschlossen werden.
  • Ein Beispiel für ein derartiges Werkstück ist das Lagergehäuse eines Abgasturboladers, welches in seinem Inneren mit einem Wasserkern versehen ist. In derartige Lagergehäuse werden beispielsweise vier Bohrungen eingebracht, von denen am Ende des Fertigungsprozesses zwei wieder verschlossen werden müssen. Dieser Verschluss soll wasserdicht sein und über die Lebensdauer des Abgasturboladers die Dichtheit sicherstellen.
  • Es ist bereits bekannt, als Verschluss für derartige Bohrungen jeweils einen Verschlussdeckel zu verwenden, wie er in der DIN 443 spezifiziert ist. Ein derartiger Verschlussdeckel, der meist aus Stahl besteht, wird zum Verschluss der jeweiligen Bohrung in die Bohrung eingedrückt. Vor diesem Eindrücken des Verschlussdeckels in die Bohrung besteht oftmals die Notwendigkeit, die Bohrung mit einer zusätzlichen Dichtmasse zu versehen, um nach dem nachfolgenden Eindrücken des Verschlussdeckels in die Bohrung die gewünschte Dichtheit gewährleisten zu können.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen ein verbesserter Verschluss einer Bohrung erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegeben Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2–4 angegeben. Der Anspruch 5 hat eine Bohrungsverschlussvorrichtung zum Gegenstand. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 5 angegebenen Bohrungsverschlussvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 6 und 7 angegeben.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass es auch bei einem Vorliegen von kleinen Oberflächenfehlern in der Bohrung des Werkstücks, wie beispielsweise Bearbeitungsriefen in einem Lagergehäuse, keines Einbringens einer zusätzlichen Dichtmasse in die Bohrung bedarf, um die gewünschte Dichtheit sicherstellen zu können. Denn durch die Anwendung eines Ultraschallschweißvorganges oder eines Rotationsreibschweißvorganges wird erreicht, dass in den Kontaktbereichen des Verschlussdeckels mit der Bohrung aufgrund der eintretenden Materialplastifizierung und der anschließenden Erkaltung des Materials eventuelle Oberflächenfehler in der Bohrung des Werkstücks und auch am Verschlussdeckel ausgeglichen werden, da diese Oberflächenfehler, bei denen es sich beispielsweise um Bearbeitungsriefen handelt, mit plastifiziertem Material des Verschlussdeckels gefüllt werden. Des Weiteren wird durch den Ultraschallschweißvorgang bzw. den Rotationsreibschweißvorgang die gewünschte Dichtheit der verschlossenen Bohrung sichergestellt. Dies gilt auch dann, wenn im späteren Betrieb im Inneren des Werkstücks, beispielsweise in einem Wasserkern des Lagergehäuses eines Abgasturboladers, ein erhöhter Druck auftritt, der eine nach außen wirkende Kraft auf den Verschlussdeckel ausübt.
  • Vorzugsweise wird vor dem Einfügen des Verschlussdeckels in die Bohrung ein Freistich in die Bohrung eingebracht. Aufgrund dieses Freistiches weist die Bohrung in ihrem nach außen gerichteten Teil einen größeren Querschnitt auf als in ihrem inneren Teil, wobei zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil der Bohrung eine umlaufende Stufe gebildet ist. Diese Stufe weist in vorteilhafter Weise in ihrem radial äußeren Bereich eine umlaufende Vertiefung auf, in welche bei der Verbindung des Verschlussdeckels mit dem Material des Werkstücks das plastifizierte Material des Verschlussdeckels einfließen kann.
  • Um die Verbindung des Verschlussdeckels mit dem Werkstück weiter zu verbessern, weist die Unterseite des Verschlussdeckels in ihrem radial äußeren Bereich vorzugsweise einen umlaufenden Vorsprung auf, der beim Einführen des Verschlussdeckels in die Bohrung zuerst mit der umlaufenden Vertiefung der Stufe in Kontakt kommt. Die aufgrund des Ultraschallschweißvorganges bzw. des Rotationsreibschweißvorganges auftretende Plastifizierung des Materials des umlaufenden Vorsprungs füllt die genannte umlaufende Vertiefung mit plastifiziertem Verschlussdeckelmaterial.
  • Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
  • 1 Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zum Verschließen einer Bohrung mit einem Verschlussdeckel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
  • 2 eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Form eines in die Bohrung eingebrachten Verschlussdeckels und
  • 3 eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Form eines in die Bohrung eingebrachten Verschlussdeckels.
  • Die 1 zeigt Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstücks. Bei diesem Werkstück 1, von dem nur ein Teil dargestellt ist, handelt es sich beispielsweise um das Lagergehäuse eines Abgasturboladers, welches in seinem inneren Bereich mit einem Wasserkern ausgestattet ist.
  • Das in der 1a dargestellte Werkstück 1 weist eine Oberfläche 1a, einen oberflächennahen Bereich 1b, einen oberflächenfernen Bereich 1c, eine Stufe 1d und eine im radial äußeren Endbereich der Stufe vorgesehene umlaufende Vertiefung 1e auf.
  • In dieses Werkstück 1 ist eine Bohrung 2 eingebracht, die im oberflächennahen Bereich 1b des Werkstücks 1 einen Innendurchmesser 2a und im oberflächenfernen Bereich 1c des Werkstücks 1 einen Innendurchmesser 2b aufweist.
  • Des Weiteren ist in der 1a ein Verschlussdeckel 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, der zum Verschließen der Bohrung 2 vorgesehen ist. Der Verschlussdeckel 3 hat einen Durchmesser 3a, eine Unterseite 3b und eine Oberseite 3g. Auf seiner Unterseite 3b weist der Verschlussdeckel 3 in seinem radial äußeren Bereich einen umlaufenden Vorsprung 3c auf. Im Bereich seiner Oberseite 3g bzw. in seinem oberflächennahen Endbereich 3d weist der Verschlussdeckel einen Außendurchmesser 3f auf, welcher kleiner ist als der Durchmesser 3a des Verschlussdeckels. Dieser verschmälerte Bereich des Verschlussdeckels 3 dient als Werkzeugeingriffsbereich 3e, an welchem bei einem Verfahren gemäß der Erfindung ein Werkzeug eingreift, um den Verschlussdeckel 3 in die Bohrung 2 einzuführen und durch einen Ultraschallschweißvorgang oder einen Rotationsreibschweißvorgang in der Bohrung 2 zu fixieren, um das gewünschte Verschließen der Bohrung herbeizuführen. Der Werkzeugeingriffsbereich 3e kann auch anders geformt sein als beim gezeigten Ausführungsbeispiel, beispielsweise sechskantförmig.
  • Das Verfahren zum Verschließen der Bohrung hat folgende Schritte:
    In einem Schritt S1 erfolgt ein Einbringen der Bohrung 2 in das Werkstück 1, wobei diese Bohrung – wie es in der 1 gezeigt ist – im oberflächennahen Bereich 1b des Werkstücks 1 einen Durchmesser 2a und im oberflächenfernen Bereich 1c einen Durchmesser 2b aufweist. Dabei gilt die folgende Beziehung:
    2a > 2b.
  • Zwischen dem oberflächennahen Bereich 1b und dem oberflächenfernen Bereich 1c wird eine Stufe 1d gebildet, die in ihrem radial außenliegenden Bereich mit einer umlaufenden Vertiefung 1e versehen ist.
  • Danach erfolgt in einem Schritt S2 – wie es in der 1b angedeutet ist – ein Einführen des Verschlussdeckels 3 in die Bohrung 2 in Richtung des Pfeiles x solange, bis der umlaufende Vorsprung 3c auf der Unterseite des Verschlussdeckels 3 mit dem Werkstück 1 innerhalb von dessen Vertiefung 1e in Berührung kommt.
  • Danach erfolgt in einem Schritt S3 – wie es in der 1c veranschaulicht ist – eine Befestigung des Verschlussdeckels 3 in der Bohrung 2 mittels eines Rotationsreibschweißvorganges. Bei diesem Rotationsreibschweißvorgang wird der in die Bohrung 2 eingeführte Verschlussdeckel 3 unter Verwendung eines im Werkzeugeingriffsbereich 3e eingesetzten Werkzeugs unter Ausübung von weiterem Druck in Richtung des Pfeiles x in Rotation in Richtung des Pfeiles y versetzt. Dies hat zur Folge, dass zunächst das Material des umlaufenden Vorsprunges 3c des Verschlussdeckels 3 plastifiziert bzw. verflüssigt wird und die umlaufende Vertiefung der Stufe 1d des Werkstücks 1 mit plastifiziertem Verschlussdeckelmaterial füllt. Dieser Rotationsreibschweißvorgang, bei welchem die zum Plastifizieren des Materials benötigte Wärme durch Grenzflächenreibung zwischen den zu verbindenden Teilen erzeugt wird, wird solange fortgesetzt, bis die Vertiefung 1e vollständig mit plastifiziertem Verschlussdeckelmaterial gefüllt ist und auch im weiteren Bereich der Stufe 1d und an dem Außenmantel des Verschlussdeckels durch eine Plastifizierung des Verschlussdeckelmaterials eine Verbindung des Verschlussdeckels mit dem Werkstückmaterial erreicht ist. Diese Verbindung wird durch eine nach Beendigung des Rotationsreibschweißvorganges auftretende Abkühlung der Kontaktflächen gefestigt, so dass der gewünschte wasserdichte, über die Lebensdauer des Abgasturboladers anhaltende Verschluss der Bohrung sichergestellt wird.
  • Durch das vorstehend beschriebene Verfahren wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass bei der Herstellung der Bohrung und auch des Verschlussdeckels auftretende Toleranzen, beispielsweise Bearbeitungsriefen in der Bohrung und/oder am Verschlussdeckel, durch das Material des Verschlussdeckels gefüllt und dadurch abgedichtet werden.
  • Dies ermöglicht auch eine Vereinfachung der Fertigung des Verschlussdeckels und auch des Einbringens der Bohrung in das Werkstück, da die Genauigkeitsanforderungen im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind.
  • Des Weiteren entfällt auch die beim Stand der Technik ggf. notwendige, vor dem Eindrücken eines Verschlussdeckels durchzuführende gesonderte Einbringung von Dichtmasse in die Bohrung.
  • Durch die Verwendung einer Bohrung, die im Übergangsbereich zwischen dem oberflächennahen Bereich des Werkstücks und dem oberflächenfernen Bereich des Werkstücks eine Stufe aufweist, wird die Belastbarkeit der Bohrungsverschlussvorrichtung erhöht, da die Befestigungsfläche, an welcher direkter Kontakt des Verschlussdeckels mit dem Werkstück besteht, im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert ist.
  • Das Einbringen einer Bohrung, wie sie in den 1a, 1b und 1c gezeigt ist, in das Werkstück 1 kann dadurch erfolgen, dass zunächst eine Bohrung in das Werkstück eingebracht wird, die in ihrem gesamten Bereich den Innendurchmesser 2b aufweist, und dass im Rahmen eines danach vorgenommenen Freistiches im oberflächennahen Bereich 1b des Werkstücks eine Verbreiterung der Bohrung durchgeführt wird. Die Form dieses Freistiches kann an jeweils gegebene Erfordernisse angepasst werden.
  • Das Material, aus welchem der Verschlussdeckel besteht, kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden. Handelt es sich bei der zu verschließenden Bohrung um eine Wasserkern-Bohrung des Lagergehäuses eines Abgasturboladers, dann kann als Verschlussdeckel ein thermoplastisches Kunststoffteil oder ein Spritzgusskunststoffteil oder auch ein Aluminiumteil oder ein aus einer Kupferlegierung bestehendes Teil verwendet werden.
  • Alternativ zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Befestigung des Verschlussdeckels in der Bohrung auch mittels eines Ultraschallschweißvorganges vorgenommen werden. Dabei wird die zum Plastifizieren des Verschlussdeckelmaterials benötigte Wärme durch die Umwandlung von Ultraschallschwingungen in mechanische Schwingungen erzeugt. Die gebildete Wärme wird dem Verschlussdeckel über eine Sonotrode mit einem definierten Anpressdruck zugeleitet. An den Fügeflächen des Verschlussdeckels mit dem Werkstück entsteht durch die Schwingungen Reibungswärme, die das Material zum Schmelzen bringt und den Verschlussdeckel mit dem Werkstück verbindet. Nach dieser Schalleinleitung wird das plastifizierte Material für die Dauer einer kurzen Abkühlphase unter Beibehaltung des Fügedrucks homogen verfestigt. Dadurch entsteht der gewünschte Verschluss der Bohrung.
  • Die 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Form eines in die Bohrung eingebrachten Verschlussdeckels. Bei diesem Verschlussdeckel ist die genannte Unterseite eben ausgebildet. Entsprechend ist auch die Stufe 1d über ihre gesamte Breite eben ausgebildet.
  • Die 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Form eines in die Bohrung eingebrachten Verschlussdeckels. Dieser Verschlussdeckel weist auf seiner Unterseite einen Fortsatz auf, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser 2b des oberflächenfernen Bereichs entspricht. Dieser Fortsatz ragt in den oberflächenfernen Bereich der Bohrung 2 hinein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 443 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Verschließen einer Bohrung eines Werkstückes mit folgenden Schritten: S1: Einbringen einer Bohrung (2) in das Werkstück (1), welche in einem oberflächennahen Bereich (1b) des Werkstücks einen größeren Durchmesser (2a) aufweist als in einem oberflächenfernen Bereich (1c) des Werkstücks, wobei zwischen dem oberflächennahen Bereich (1b) und dem oberflächenfernen Bereich (1c) eine Stufe (1d) gebildet wird, S2: Einführen eines Verschlussdeckels (3), dessen Durchmesser (3a) dem Innendurchmesser (2a) der Bohrung im oberflächennahen Bereich (1b) des Werkstückes entspricht, in die Bohrung (2), S3: Befestigung des Verschlussdeckels (3) in der Bohrung (2) mittels eines Ultraschallschweißvorganges oder eines Rotationsreibschweißvorganges.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt S1 eine Bohrung (2) in das Werkstück (1) eingebracht wird, die im Bereich der Stufe (1d) in ihrem radial außenliegenden Bereich mit einer umlaufenden Vertiefung (1e) versehen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt S2 ein Verschlussdeckel (3) in die Bohrung (2) eingeführt wird, auf dessen Unterseite (3b) im radial außenliegenden Bereich ein umlaufender Vorsprung (3c) vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt S3 bei der Befestigung des Verschlussdeckels (3) in der Bohrung (2) zunächst der umlaufende Vorsprung (3c) auf der Unterseite des Verschlussdeckels plastifiziert wird und das plastifizierte Material die umlaufende Vertiefung (1e) auffüllt.
  5. Bohrungsverschlussvorrichtung eines Werkstücks, aufweisend – eine Bohrung (2) im Werkstück (1), welche in einem oberflächennahen Bereich (1b) des Werkstücks einen größeren Innendurchmesser (2a) aufweist als in einem oberflächenfernen Bereich (1c) des Werkstücks, wobei zwischen dem oberflächennahen Bereich (1b) und dem oberflächenfernen Bereich (1c) eine Stufe (1d) gebildet ist, – einen in die Bohrung (2) eingesetzten und im Bereich der Stufe (1d) mit dem Werkstück (2) mittels eines Ultraschallschweißvorganges oder eines Rotationsreibschweißvorganges verbundenen Verschlussdeckel (3).
  6. Bohrungsverschlussvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Werkstück (1) eingebrachte Bohrung (2) im Bereich der Stufe (1d) in ihrem radial außenliegenden Bereich mit einer umlaufenden Vertiefung (1e) versehen ist, welche mit Verschlussdeckelmaterial gefüllt ist.
  7. Bohrungsverschlussvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussdeckel (3) in seinem oberflächennahen Endbereich (3d) mit einem Werkzeugeingriffsbereich (3e) versehen ist, dessen Außendurchmesser (3f) kleiner ist als der Innendurchmesser (2a) der Bohrung im oberflächennahen Bereich des Werkstücks.
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