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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines bezogen auf das Gewicht leichten, aber hinsichtlich der Beanspruchung stark belasteten Bauteils, bei dem ein erstes Bauteil durch Warmschmieden vorgefertigt und bei dem mindestens eine Ausnehmung ausgebildet ist, die zur Aufnahme eines weiteren Bauteils geeignet ist.
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Stand der Technik
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Fügen von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien ist aus dem Stand der Technik bekannt. Unterschiedliche Fügeverfahren dienen dazu, Bauteile, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ohne Befestigungselemente kraft- und formschlüssig miteinander zu verbinden. Bekannte Verfahren sind beispielsweise Schmieden oder Schrumpfen. Das Zusammenfügen findet in der Regel an Fügestellen statt. Insbesondere in diesem Bereich entsteht durch Schrumpfen ein gewünschter Form- beziehungsweise Kraftschluss. In einem letzten Schritt findet dann eine Endbearbeitung statt, in der durch beispielsweise Zerspanung oder andere formgebende Vorgänge die zusammengefügten Bauteile in ihre Endform übergeführt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind hinsichtlich eines elastisch-plastischen Pressverbands Längs- und Querpressverbände bekannt.
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So ist beispielsweise aus der
DE 2458291 A1 ein Schmiedeverfahren bekannt, bei dem zum Herstellen eines Werkstücks vor dem Schmieden in der Art einer Bohr-ZapfenVerbindung zwei Bauteile formschlüssig ineinandergreifen, wobei diese aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Diese werden zuerst erwärmt und dann durch gemeinsame Verformungen in einem Schmiedegesenk miteinander verbunden, derart, dass eines der Bauteile ein pulvermetallurgisch hergestellter Formkörper und der andere ein schmelzmetallurgisch hergestellter Formkörper ist und dass beide Formkörper an gleichartig konischen Berührungsflächen während des Schließens der das Schmiedegesenk bildenden Gesenkhälften zusammengestaucht werden. Zusätzlich wird bei dem Verfahren ein Formstück in der Art eines Pressstempels ganz oder teilweise in den Formkörper hineingepresst.
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Aus der
DE 10 2005 034 306 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass ein erstes Rohteil und ein zweites Rohteil in eine etwa zylindrische Form gebracht werden oder eine solche aufweisen, wobei vorgesehen ist, dass die Rohteile zusammengefügt werden. Das derart zusammengefügte Kolbenrohteil wird einem Umformvorgang unterzogen, und zwar derart, dass das Kolbenrohteil eine Brennraummulde aufweist. Damit bildet das weitere Material des weiteren Rohteils eine Art Bewehrung der Brennraummulde und stellt damit eine höhere Festigkeit bereit.
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Aus der
DE 41 18 0480 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sintermetall- oder Gesenkschmiede-Fertigteils bekannt. Dabei wird ein Lagermetall-Formling in ein Rohteil des Sintermetall- oder Gesenkschmiede-Fertigteils eingeführt und anschließend unter weiterer Verdichtung geschmiedet. Dabei sind Temperaturen zwischen 1200 Grad und 1400 Grad notwendig, damit sich der Formling durch Schweiß- oder Lötprozesse mit dem Fertigteil verbindet. Dabei ist vorgesehen, zwischen dem Formling und dem Fertigteil eine Bindemittelschicht in Form eines Lotmittels oder Bindemittels einzufügen. Auf diese Weise kann eine noch festere Verbindung zwischen dem Fertigteil und dem Formling durch einen Schweiß- oder Lötprozess erzeugt werden.
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Durch die Kombination von zwei oder mehreren Bauteilen wird das Gesamtgewicht des Produktes größer, was wiederum Nachteile mit sich bringt.
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Daher ist es Ziel der Entwicklung, leichtere Werkstoffe zu verwenden, die dennoch den erforderlichen Belastungen gewachsen sind.
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Inzwischen ist es Stand der Technik, unterschiedliche Materialien durch Fügetechnik miteinander zu kombinieren. So ist beispielsweise vorgesehen, Stahl mit Aluminium zu kombinieren. Die Kombination sieht vor, dass sowohl Stahl als auch Aluminium als Blechelemente vorliegen, die durch entsprechende Umformprozesse dann einen Verbund darstellen. Der formschlüssige Verbund entsteht durch vorgesehene Hinterschneidungen.
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Die Verfahren sind jedoch kostenintensiv. Sie weisen eine Vielzahl von einzelnen Prozessschritten auf, die sehr genau aufeinander abzustimmen sind. Zudem sind mehrere mechanische Bearbeitungs-Zwischenschritte notwendig.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbund, insbesondere einen Schrumpfverbund zwischen zwei Bauteilen unterschiedlicher Materialien bereitzustellen, die eine zusätzliche Vorspannung aufweisen, die durch die Fließspannung herstellbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass zwei Bauteile, die unterschiedliche Werkstoffe aufweisen, miteinander zusammen gefügt werden, um ein Hybridbauteil zu erhalten. Ein vorgewärmtes erstes Bauteil, das beispielsweise aus einer Aluminiumknetlegierung besteht, wird auf Umformtemperatur gebracht und durch einen entsprechenden Umformvorgang in eine Grundform überführt. Es entsteht dabei ein Rohteil, das aus dem formgebenden Werkzeug entnehmbar ist. Das Rohteil soll dabei als Vorform verstanden werden.
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Das Rohteil in der Grundform ist derart konstruiert, dass es Aufnahmebereiche aufweist, in die ein Werkstück, bestehend aus einem weiteren Werkstoff, beispielsweise einer Stahllegierung oder anderen Werkstoffen, einfügbar ist. Dieser Bereich, der mit dem zweiten Werkstück in Kontakt kommt, ist einem hohen Verschleiß und hoher Belastung ausgesetzt, sodass das Material, welches für das übrige Bauteil (Rohteil) gewählt worden ist, nicht den Beanspruchungen genügen würde. Durch Einlegen des Rohteils in ein weiteres formgebendes Werkzeug und Hinzufügen des weiteren Bauteils wird durch eine weitere Formgebung eine weitere Vorstufe des Endproduktes des Hybridbauteiles erreicht.
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Durch den gemeinsamen Umformprozess fließt der eine Werkstoff des einen Bauteils in die entsprechenden Fügestellen nur soweit, wie dieser es zulässt. Bei Rückgang des Umformdruckes sinkt die Spannung unter die zum Fließen des Werkstücks notwendige Fließspannung. Diese Spannung bleibt jedoch im Bauteil wie eine Vorspannung erhalten, sodass ein form- und kraftschlüssiger Verbund der beiden Bauteile erzielt ist.
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Es entsteht ein Fertigbauteil mit definierten Eigenschaften, das noch durch entsprechende Zerspanungs- und/oder weitere formgebende Vorgänge in eine Endversion überführt werden kann.
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Die eine Eigenschaft dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass ein zuverlässiger und garantierter Kraft- und/oder Formschluss zwischen den beiden aus unterschiedlichen Materialien beziehungsweise Werkstoffen bestehenden Bauteilen herstellbar ist. Aufgrund dessen, dass die Fließspannung, die insbesondere beim Fügevorgang durch das Hybridschmieden entsteht, nicht abgebaut wird, entsteht ein sehr fester vorgespannter Materialverbund, der auch entsprechende Temperaturschwankungen kompensieren kann. Der Verbund wird somit aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen der Rohteile während des Fügeprozesses erreicht. Hieraus ergibt sich, dass diese umso größer ist, wenn der Temperaturausdehnungskoeffizient des Werkstoffs des ersten Rohteils größer ist als der weitere(n) Komponente(n).
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Aufgrund der Kombination der beiden Werkstoffe wird eine grundsätzliche Gewichtsersparnis von über 30% erreicht. Die Gewichtsreduktion führt somit zum Einsatz von Leichtbaukomponenten und ermöglicht neue Anwendungsgebiete. Die bisherigen klassischen Verfahren, wie Nieten, Schweißen und Kleben, können durch das erfindungsgemäße Verfahren in Bauteilen ersetzt werden. Durch die Schmiedeverbindung entstehen hochfeste Bauteile aus Aluminium und Stahl. Hieraus ergibt sich auch, dass insbesondere hochfeste Knetlegierungen verwendet werden können (anstelle von Gussteilen).
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen hervor:
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkt, nämlich einen Pleuel;
- 3 eine perspektivische schematische Ansicht auf den Abschnitt des Verfahrens, der unmittelbar vor dem Verschmieden (Verfahrensschritt C) anzuordnen ist;
- 4 eine weitere schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes, der unmittelbar vor dem Hybridschmiedevorgang (Verfahrensschritt D) anzuordnen ist;
- 5 einen Schnitt durch den mit dem Verfahren hergestellten Pleuel.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In der nachfolgenden Beschreibung wird die Herstellung eines Pleuels 1 gezeigt. Der Pleuel 1 umfasst einen Grundkörper 2, der im Wesentlichen aus einer Aluminiumknetlegierung besteht, wobei Lagerstellen 3 aus einer Stahllegierung vorgesehen sind. Dieses Ausführungsbeispiel soll exemplarisch die Anwendung des Verfahrens zeigen. Auf ähnliche Weise können andere Bauteile hergestellt werden, die ebenfalls eine hybride Ausgestaltung zulassen, wie beispielsweise Antriebsflansche.
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Der schematische Ablauf des Verfahrens ist in 1 dargestellt. Der erste Verfahrensschritt A besteht darin, die Aluminiumknetlegierung, welche in der Regel als Rohteil 4 in Stangen- oder Plattenform vorliegt, in einer Länge entsprechend bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch Sägen erfolgen. In einem Erwärmungsprozess (Verfahrensschritt B) wird das so bereitgestellte Rohteil 4 auf Umformtemperatur erwärmt, bis dieses dann in ein formgebendes Werkzeug W, wie es in 3 dargestellt ist, eingelegt wird. Das Rohteil 4 wird auf ein Gesenkunterteil Wu gelegt, sodass durch Zusammenführen mit einem Gesenkoberteil Wo die entsprechende Formgebung erfolgen kann. Ein Verschmieden (Verfahrensschritt C) des Rohteils 4 zu einem ersten Bauteil kann erfolgen. Ein aus diesem Vorgang entstandenes Produkt ist in 2 dargestellt.
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In einem weiteren Prozess (Verfahrensschritt D), der sich unmittelbar an das Verschmieden anschließt, wird das bereits umgeformte Werkstück in ein weiteres formgebendes Werkzeug Y eingelegt. In diesem formgebenden Werkzeug, welches in 4 dargestellt ist, sind bereits Lagerbuchsen 5, welche aus einer Stahllegierung vorgesehen sind, in einem Einsatz in einem Gesenkuntereil Yu angeordnet. Das vorgeformte Rohteil wird auf ein Gesenkunterteil Yu aufgelegt und für den Hybridschmiedevorgang (hybrid deswegen, weil nun zwei Werkstoffe miteinander verbunden werden) vorbereitet.
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Das nach dem Verschmieden (Verfahrensabschnitt C) hergestellte Bauteil weist Ausnehmungen 6 (2) auf, in die die Lagerbuchsen 5 eingelegt werden beziehungsweise von diesen aufgenommen werden. Die stirnseitige Anlage der Lagerbuchsen 5 erfolgt auf einem Sattelelement 7. Das vorgeformte Rohteil 4 wird dann auf die im Gesenkunterteil Yu bereits eingelegten und dort fixierten Lagerbuchsen 5 aufgelegt.
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Das so hergestellte Bauteil, welches in 5 im Schnitt dargestellt ist, besteht somit aus zwei Werkstoffen.
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Bei dem Rückgang des Umformdruckes - nachdem das Verfahren gemäß 4 (Verfahrensabschnitt D) beendet ist - sinkt an sich die Spannung unter die zum Fließen des Werkstücks notwendige Fließspannung. Die Spannung bleibt jedoch im Bauteil im Bereich der Lagerstellen 3 erhalten, sodass ein fester Verbund entsteht.
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Vorzugsweise weisen die Lagerbuchsen 5 nach dem Verfahrensschritt D eine leicht bauchige Form, wie in 5 dargestellt ist, auf. Die aufgebrachte Umformenergie bildet diese bauchige Struktur derart, dass gleichzeitig eine entsprechende Hinterschneidung für die Lagerstelle 3 ausgebildet wird, sodass ein fester Sitz innerhalb des Pleuels 1 gewährleistet ist.
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In einem letzten Arbeitsschritt (Verfahrensschritt E) besteht die Möglichkeit, durch spanende Formgebung Lagerstellen 3 sowie den Grundkörper 2 des Pleuels 1 zu bearbeiten. Dabei kann die bauchige Innenstruktur (wie in 5 gezeigt) der Lagerbuchsen 5 durch spanende Bearbeitung zylindrisch passend ausgebildet werden, ohne dass mechanische Eigenschaften der Lagerstellen 3, die sich vorteilhafterweise durch die Herstellung ergeben, verloren gehen.
