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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere eine Zug- und/oder eine Druckstange, aus einem Rohr, dessen axiale Enden einen Durchmesser aufweisen, der geringer ist als der Durchmesser eines zwischen den axialen Enden liegenden Abschnitts, wobei das Rohr mittels eines superplastischen Umformverfahrens aus einem Rohr mit einem kleineren Durchmesser expandiert ist. Weiter betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Umformen eines solchen Bauteils, bei dem das Rohr in eine Matrize eingelegt wird, das Rohr bzw. dessen Innenraum für die Durchführung der Umformung an axialen Enden des Rohres nach außen abgedichtet wird, in den Innenraum ein Gas eingeleitet wird, mit dem Gas ein vorbestimmter Druck auf das Rohr ausgeübt wird, dessen Wandung aufgrund des ausgeübten Druckes in wenigstens einem umzuformenden Bereich gegen die Matrize gedrückt wird, die Wandung mit dem umzuformenden Bereich in die Matrize eingeformt wird, bis diese an der Matrize anliegt, und das fertige Rohr aus der Matrize entnommen wird.
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Derartige rohrförmige Bauteile beziehungsweise Zug- und/oder Druckstangen werden auch als „Tie-Rods” bezeichnet und vor allem im Fahrzeug- und/oder Flugzeugbau in Bereichen eingesetzt, in denen hohe Belastungen aufgenommen werden müssen, beispielsweise als Rahmenversteifung, Triebwerkstützen, Abstützung für Fußböden oder im Fahrwerksbereich. Aufgrund der hohen Belastungen bestehen bei sogenannten „Tie_Rods” daher auch besonders hohe Anforderungen hinsichtlich deren Bruchfestigkeit, Biege- und Knicksteifigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit. Die verbesserte Knicksteifigkeit der Rohre wird dabei unter anderem mit einem zwischen zwei axialen Enden liegenden Abschnitt mit größerem Durchmesser erreicht, der das Rohr auf einfache Weise versteift. Mit den bekannten Verfahren können jedoch nur Werkstoffe zu entsprechenden Zug- und/oder Druckstangen verarbeitet werden, die rundhämmerbar sind. Die
DE 43 11 391 C2 zeigt beispielsweise ein versteiftes Rohr, das aus einem dickwandigen Außenrohr und einem im Vergleich dazu dünnen Innenrohr besteht. Dieses Rohr weist verdickte Enden auf, die als Verbindungsanschluss ausgeformt sind. Die Herstellung dieses Rohres soll mittels eines Ziehvorganges erfolgen, bei dem zumindest eine Querschnittsverringerung des Außenrohres erzeugt wird, das so auf das Innenrohr aufgepresst wird. Weitere Umform- und Bearbeitungsverfahren für rohrförmige Halbzeuge gehen aus der
DE 698 26 234 T2 oder der
DE 40 19 117 C2 hervor.
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Die
US 6,810,572 B2 beschreibt ebenso wie die
DE 692 23 948 T2 ein superplastisches Umformverfahren, bei dem mehrere metallische Flächenelemente miteinander verbunden und superplastisch zu einer Verbundplatte mit Hohlkammern expandiert werden. Ein superplastisches Umformverfahren mit dem Hohlkammerschneiden herstellbar sein sollen zeigt die
US 2008/0216316 A1 . Diese bezieht sich jedoch wie die
US 6,810,572 B2 oder die
DE 692 23 948 T2 nicht auf die Herstellung von Zug- und/oder Druckstangen.
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Eine Zugstange, die einen Zylinderzapfenabschnitt aufweist, dem eine Ringschultereinrichtung zugeordnet ist, die superplastisch umgeformt ist, ist in der
WO 2008/107283 A1 beschrieben. Die
DE 100 31 927 A1 offenbart ein Leichtbauventil mit einem rohrförmigen Ventilschaft und einem massiven Ventilschaftendstück, das über eine Reibverschweißverbindung mit einem Ventilteller verbunden ist.
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Titanwerkstoffe, zum Beispiel, sind für eine derartige Bearbeitung nicht beziehungsweise nur bedingt geeignet, obwohl Titanwerkstoffe für die vorgenannten Verwendungsbereiche besonders vorteilhafte Materialeigenschaften aufweisen. Bei der Herstellung wird somit zumeist Stahl oder Aluminium eingesetzt, um möglichst leichte und dennoch stabile Rohre zu fertigen, wobei hinsichtlich des Gewichts und/oder der Festigkeit Einschränkungen bestehen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zug- und/oder Druckstange bereitzustellen, die höchsten Materialanforderungen bei geringem Gewicht entspricht sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zug- und/oder Druckstange.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.
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Das Bauteil, insbesondere die Zug- und/oder die Druckstange, aus einem Rohr, dessen axiale Enden einen Durchmesser aufweisen, der geringer ist als der Durchmesser eines zwischen den axialen Enden liegenden Abschnitts, wobei das Rohr mittels eines superplastischen Umformverfahrens aus einem Rohr mit einem kleineren Durchmesser expandiert ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Rohr aus einer Titanlegierung besteht, dass das Rohr im Abschnitt zwischen den axialen Enden gegenüber diesen eine gleiche oder verringerte Wanddicke aufweist, dass das Rohr im Abschnitt zwischen den axialen Enden wenigstens zwei Bereiche mit voneinander unterschiedlichen Wanddicken aufweist und dass zwischen den axialen Enden und dem zwischen diesen liegenden Abschnitt Übergangsbereiche mit sich veränderndem Durchmesser ausgebildet sind. Durch die Verwendung einer Titanlegierung werden höchste Anforderungen an die Warmfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit erfüllt, so dass aus einem solchen Werkstoff gefertigte „Tie-Rods” beziehungsweise Zug- und/oder Druckstangen besonders hohen Belastungen standhalten. Bevorzugte Titanlegierungen sind zum Beispiel Ti6-4 oder Ti6-2-4-2. Gleichzeitig weist die Titanlegierung ein gegenüber Stahlwerkstoffen geringes Gewicht auf, so dass auch eine Gewichtsreduzierung erreicht ist, die insbesondere im Flugzeugbau von großem Vorteil ist. Leichte Aluminiumwerkstoffe haben gegenüber Stahlwerkstoffen zwar auch einen deutlichen Gewichtsvorteil sind dafür aber nicht so korrosionsbeständig wie Titanwerkstoffe. Mit den bekannten Stahl- und Aluminiumwerkstoffen ist die genannte Kombination aus Gewichtsersparnis, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Steifigkeit demnach nicht zu erreichen. Die Gewichtsersparnis beträgt dabei gegenüber Stahl bis zu 50%.
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Eine über deren gesamte Länge möglichst gleichbleibende Knicksteifigkeit und Festigkeit der Rohre wird vor allem durch den größeren Querschnitt des zwischen den axialen Enden liegenden Bereichs sichergestellt. Dabei weist das Rohr im Abschnitt zwischen den axialen Enden gegenüber diesen eine gleiche oder verringerte Wanddicke, insbesondere eine verringerte Wanddicke, auf. Bevorzugt beträgt die Wanddicke des Abschnitts zwischen den axialen Enden weniger als 50% der Wanddicke der axialen Enden. Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist der Abschnitt zwischen den axialen Enden eine Wanddicke von weniger als 2,5 mm auf und die axialen Enden weisen eine Wanddicke zwischen 5 mm bis 7 mm auf. Der Durchmesser des Abschnitts zwischen den axialen Enden ist entsprechend den Anforderungen an das Bauteil optimiert und beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung zwischen 120% und 180%, insbesondere ca. 140% des Durchmessers der axialen Enden. Der Abschnitt zwischen den axialen Enden weist zudem wenigstens zwei Bereiche mit voneinander unterschiedlichen Wanddicken auf. Zum Beispiel können einzelne Bereiche mit einer größeren Wanddicke als andere Bereiche ausgeführt werden und zusätzliche Befestigungspunkte für das Rohr ausbilden. Eine durch beispielsweise ein Gewinde bedingte Materialschwächung des Rohres an einem Befestigungspunkt kann so ausgeglichen werden.
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Zur Verbindung mit weiteren Bauteilen, die durch die „Tie-Rods” abgestützt bzw. zusammengehalten werden, kann wenigstens eines der axialen Enden ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde aufweisen, über das dann eine formschlüssige Verbindung mit einem anderen Bauteil ausgebildet werden kann. Alternativ kann unter anderem auch vorgesehen sein, dass wenigstens eines der axialen Enden als Gabelkopf ausgebildet ist.
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Um auf die Zug- und/oder Druckstange einwirkende Lasten möglichst gleichmäßig in das Rohr einleiten und verteilen zu können, sind zwischen den axialen Enden und dem zwischen diesen liegenden Abschnitt Übergangsbereiche mit sich veränderndem Durchmesser ausgebildet. Spannungen in dem Bauteil, die zu Überlastungen führen können, sind dadurch minimiert. Insbesondere sind die Übergangsbereiche dabei kegelstumpfförmig ausgebildet und laufen konisch auf die axialen Enden zu. An den axialen Enden weisen die Übergangsbereiche jeweils den Durchmesser der axialen Enden auf und an dem Abschnitt mit gegenüber den axialen Enden vergrößertem Durchmesser den Durchmesser des zwischen den axialen Enden liegenden Abschnitts. Gleiches trifft dementsprechend auch auf deren Wanddicken zu, wobei die Übergangsbereiche zumeist eine zum zwischen den axialen Enden angeordneten Abschnitt hin abnehmende Wanddicke aufweisen. Große, abrupte Wanddickenunterschiede und Querschnittsänderungen, die hohe Belastungen bedingen, können damit entschärft werden, so dass die auf die Rohre einwirkenden Belastungen in einzelnen Bereichen und insbesondere an Übergängen des Rohres minimiert sind. Eine weitere Optimierung kann dadurch erfolgen, das die Übergangsbereiche und/oder die Übergänge der Übergangsbereiche ausgerundet ausgebildet sind.
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Der zwischen den axialen Enden liegende Abschnitt kann eine kreisförmige, ovale oder auch rechteckige Querschnittsfläche aufweisen, die an den jeweiligen Verwendungszweck beziehungsweise das jeweils vorliegende Anforderungsprofil angepasst ist. Zur weiteren Formverstärkung und Versteifung des zwischen den axialen Enden liegenden Abschnitts mit gegenüber diesen gleichmäßig vergrößertem Querschnitt kann dieser Abschnitt zudem Sicken aufweisen. Mit den Sicken weisen die Rohre einen erhöhten Knickwiderstand auf, so dass ein Einknicken dieser nochmals erschwert ist. In weiterer Ausgestaltung sind diese Sicken nach innen oder nach außen vorkragend ausgebildet.
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Das Verfahren zum Umformen des vorbezeichneten Rohres, bei dem das Rohr in eine Matrize eingelegt wird, das Rohr beziehungsweise dessen Innenraum für die Durchführung der Umformung an axialen Enden des Rohres nach außen abgedichtet wird, in den Innenraum ein Gas eingeleitet wird, mit dem Gas ein vorbestimmter Druck auf das Rohr ausgeübt wird, dessen Wandung aufgrund des ausgeübten Druckes in wenigstens einem umzuformenden Bereich gegen die Matrize gedrückt wird, die Wandung mit dem umzuformenden Bereich in die Matrize eingeformt wird, bis diese an der Matrize anliegt und das fertige Rohr aus der Matrize entnommen wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Rohr, bevor es in die Matrize eingelegt wird, bearbeitet wird, dass beim Bearbeiten an dem umzuformenden Bereich des Rohres zumindest abschnittsweise Material abgenommen wird, und dass das Rohr zumindest in einem Abschnitt zwischen den axialen Enden umgeformt wird.
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Der umzuformende Bereich ist dabei gleichzusetzen mit dem zwischen den axialen Enden liegenden Abschnitt des Bauteils. Durch das beim Bearbeiten an dem umzuformenden Bereich beziehungsweise Abschnitt des Rohres zumindest abschnittsweise abgenommene Material wird eine Wanddickenkontur des Rohres geschaffen, die im weiteren Verfahren bei der Umformung zu einer gezielten Wanddickenverteilung führt. Die Wanddickenkontur kann dabei so gewählt werden, dass auf das Rohr einwirkende Kräfte sowie Wanddicke und Durchmesser des Rohres in optimaler Weise aufeinander abgestimmt sind und das Rohr eine hohe Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht aufweist. Durch die Verarbeitung ist dann ein gezielter Materialeinsatz und auch eine Minimierung der Kosten erreichbar.
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Auf einfache Weise wird das Material dazu außenseitig an dem umzuformenden Bereich abgenommen. Das Abnehmen des Materials führt dann bevorzugt zu einem Abschnitt mit einer gleichmäßig gegenüber den axialen Enden reduzierten Wanddicke, der beim Umformen auf einen größeren Durchmesser als die axialen Enden aufgeweitet wird. Im fertigen „Tie-Rod” kann dieser Abschnitt aufgrund des größeren Durchmessers somit eine nochmals verringerte Wanddicke bei gleichen oder sogar verbesserten Steifigkeitswerten aufweisen.
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Um weiteren, speziellen Anforderungen zu genügen, können beim Abnehmen des Materials auch Bereiche mit unterschiedlichen Wanddicken geschaffen werden. Das fertige Rohr weist dann entsprechend dem vor dem Umformen abgenommenen Material eine Wanddickenkontur mit unterschiedlichen Wanddicken auf. Insbesondere an den dickeren Bereichen der Wanddickenkontur können dann zusätzliche Befestigungspunkte ausgebildet werden, wobei Gewinde der Befestigungspunkte in dem Abschnitt der Wandung der Zugstange beispielsweise nicht zu einer Materialschwächung führen.
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Zusammen mit dem Abschnitt mit einer gleichmäßig gegenüber den axialen Enden reduzierten Wanddicke ist vorgesehen, dass zwischen diesem und den axialen Enden jeweils wenigstens ein konisch zulaufender Übergangsbereich geformt wird, dessen Wanddicke beim fertigen Bauteil mit zunehmendem Durchmesser abnimmt. Der Abschnitt mit der gegenüber den axialen Enden reduzierten Wanddicke und die Übergangsbereiche bilden somit gemeinsam den umzuformenden Bereich, der dann zweifach unterteilt ist. In diesen Übergangsbereichen nimmt die Wanddicke nach dem Materialabnehmen in Richtung des Abschnitts mit gegenüber den axialen Enden vergrößerten Querschnitt gleichmäßig ab beziehungsweise in Richtung der axialen Enden gleichmäßig zu, so dass im fertigen Bauteil eine möglichst gleichmäßige und damit optimale Krafteinleitung gewährleistet ist. Beim Abnehmen des Materials wird dementsprechend eine zu- bzw. abnehmende Wanddickenkontur des Übergangsbereichs geschaffen. Gemäß einer anderen nochmals optimierten Ausführungsform können die Übergänge der Übergangsbereiche zudem ausgerundet geformt werden und andere an die jeweiligen Anforderungen angepasste Formen aufweisen.
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Zur Verbindung mit anderen Bauteilen ist vorgesehen, dass in wenigstens ein axiales Ende des Rohres ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, eingebracht wird. Über dieses kann eine formschlüssige Verbindung mit einem angrenzenden Bauteil erfolgen.
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Weiter kann auch vorgesehen sein, dass das Material des Rohres an den axialen Enden während des Umformens nachgeschoben wird, so dass insbesondere auch aus besonders dünnen Rohren mit kleinem Innendurchmesser entsprechende „Tie-Rods” fertigbar sind oder Rohre auch mit besonders großem Durchmesser im umzuformenden Bereich erzeugt werden können. Die Umformung des Rohres erfolgt dabei bei vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 700 und 920°C.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: einen ersten Längsschnitt durch ein zur Hälfte dargestelltes erfindungsgemäßes Rohr;
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2: eine zweite Ausführungsform des Rohres in gleicher Ansicht entsprechend 1;
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3: eine dritte Ausführungsform des Rohres mit einem Gabelkopf in zwei längsgeschnittenen Perspektiven; und
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4: verschiedene Querschnitte bzw. Querschnittsformen von erfindungsgemäßen Rohren.
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1 und 2 zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Rohr, wobei jeweils nur ein axiales Ende 1, ein Übergangsbereich 2 und ein angeschnitten dargestellter Abschnitt 3 mit gegenüber den axialen Enden 1 vergrößertem Querschnitt gezeigt ist. Bei beiden Rohren nimmt dabei deren Wanddicke im Bereich des Übergangsbereichs 2 zum Abschnitt 3 hin ab, wobei die axialen Enden 1 jeweils eine größere Wanddicke als der Abschnitt 3 aufweisen. Die axialen Enden 1 weisen zudem jeweils ein Innengewinde 4 zum Verschrauben mit einem weiteren Bauteil auf. Unterschiede zwischen 1 und 2 bestehen hinsichtlich des Übergangsbereichs 2, der in 1 länger und in 2 kürzer ausgeführt ist, so dass der Übergangsbereich 2 des Rohres in 2 steiler, d. h. in einem größeren Winkel zu dem axialen Ende 1 und dem Abschnitt 3, angestellt ist.
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In 3 ist ein alternativ zu den 1 und 2 geformtes axiales Ende 1 dargestellt, welches als Gabelkopf mit zwei parallel zueinander angeordneten Laschen 5, 5' ausgebildet ist, in denen jeweils einander überlappende Ösen 6, 6' ausgebildet sind. Diese Laschen 5, 5' des als Gabelkopf ausgebildeten axialen Endes 1 setzen dabei direkt an den Übergangsbereich 2 an, wobei dieser zwischen den Laschen 5, 5' an der den Laschen 5, 5' zugewandten Seite ausgerundet ist. Die weiteren Merkmale des Rohres in 3 stimmen mit den Rohren in 1 und 2 überein.
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In 4 sind schließlich mehrere Querschnitte von erfindungsgemäßen Rohren dargestellt, die mit a, b, c und d gekennzeichnet sind. Ein erster Querschnitt eines Rohres a zeigt eine kreisrunde Querschnittsfläche des Abschnitts 3 zwischen den beiden axialen Enden 1. Das zweite Rohr b weist eine ovale Querschnittsfläche des Abschnitts 3 auf, während das Rohr c eine viereckige bzw. quadratische Querschnittsfläche mit abgerundeten Ecken aufweist. Die letzte Darstellung zeigt wiederum ein Rohr d mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche, wobei im Bereich des zwischen den axialen Enden 1 liegenden Abschnitts nach außen vorstehende bzw. vorkragende Sicken 7 ausgebildet sind, die in Längserstreckung des Rohres d beziehungsweise Abschnitts 3 zwischen den axialen Enden 1 um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, so dass das Rohr insgesamt vier Sicken 7 aufweist.
