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Die Erfindung betrifft ein Fügebauteil, das wenigstens eine Fügefläche zur form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit wenigstens einer Fügefläche eines weiteren Fügebauteils aufweist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fügebauteils.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Fügeverbindungen bekannt, um ein erstes Fügebauteil dauerhaft mit einem zweiten Fügebauteil zu verbinden. Beispielsweise gehören auf dem Gebiet des Maschinen- oder Fahrzeugbaus Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) zu den am weitesten verbreiteten Fügeverbindungen, um Drehmomente von einer Welle auf eine rotierende Nabe (oder umgekehrt von einer Nabe auf eine Welle) zu übertragen. Je nach Art der Kraft- und Momentenübertragung lassen sich die Welle-Nabe-Verbindungen unterteilen in formschlüssige, stoffschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen.
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Zur Realisierung von dauerhaft stabilen Fügeverbindungen müssen die miteinander zu verbindenden Fügebauteile geometrisch exakt definierte Fügeflächen aufweisen. Dies gilt insbesondere für die Fügeflächen von Pressverbindungen. Hier müssen für die geometrischen Abmessungen der miteinander in Presskontakt stehenden Fügeflächen der Fügebauteile enge Toleranzen eingehalten werden, um eine sichere Pressverbindung mit einer geforderten Übertragungsfähigkeit zu gewährleisten. Beispielsweise werden in der DIN 7190 für die in der Praxis weit verbreiteten Welle-Nabe-Pressverbindungen Toleranzfeldgrößenkombinationen von IT6 für den Durchmesser der Welle und IT7 für den Durchmesser der Nabenbohrung empfohlen.
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Außerdem werden hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität von miteinander zu verbindenden Fügeflächen gestellt. Insbesondere Fügeflächen für Pressverbindungen müssen eine hohe Oberflächenqualität aufweisen, um eine hohe Festigkeit der Pressverbindung sicherzustellen. So sind in der DIN 7190 für Welle-Nabe-Pressverbindungen durchmesserabhängige Mittenrauwerte Ra angegeben. Beispielsweise wird in dieser Norm für einen Wellendurchmesser bis 500 mm ein maximaler Mittenrauwert Ra der Welle von 0.8 μm und der Nabe von 1.6 μm empfohlen. Für Wellendurchmesser über 500 mm wird mit etwas größeren Rauheiten gearbeitet (Welle Ra = 1.5 μm, Nabe Ra = 3.2 μm).
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Um den vorgenannten hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte von Fügeflächen, insbesondere von Fügeflächen für Pressverbindungen, gerecht werden zu können, werden diese Fügeflächen heute überwiegend durch spanende Formgebung hergestellt. Die Verwendung kostengünstiger spanloser Umform- oder Trennverfahren erfolgt nur in sehr begrenztem Umfang und bei geringen Genauigkeitsanforderungen. So können spanlose Umform- oder Trennverfahren beispielsweise bei der Herstellung von Wellen- bzw. Nabenelementen ab Toleranzgrad IT8 zur Anwendung gelangen. Jedoch müssen auch in solchen Fällen dem formgebenden, spanlosen Umform- oder Trennverfahren kosten- und zeitintensive spanende Fertigungsverfahren nachfolgen, um die geforderte hohe Genauigkeit der Fügefläche sicherzustellen. Insbesondere ist zur Einhaltung einer maximalen Rauheit der Fügefläche in der Regel noch ein nachträgliches Schleifen der Fügefläche erforderlich.
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Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Fügefläche von einem oder beiden Fügebauteilen mit einer Beschichtung zu versehen, um die Festigkeit der Fügeverbindung zu verbessern. Insbesondere auf dem Gebiet der Pressverbindungen sind verschiedene Verfahren zur Beschichtung der später unter Pressung miteinander verbundenen Fügeflächen bekannt, mit denen eine Steigerung der Übertragungsfähigkeit der Pressverbindung erreicht werden kann. Hierzu werden eine oder beide Fügeflächen mit einem Lot (z. B. Zinn, Zink, Kupfer) beschichtet. Dieses Lot bildet unter Wirkung der Flächenpressung eine kalte Lötverbindung aus. Die so entstehende Fügeverbindung, die sowohl über kraft- als auch stoffschlüssige Eigenschaften verfügt, wird als Presslötverbindung bezeichnet.
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Ein weiteres, in der
DD 0 152 972 A1 beschriebenes Beschichtungsverfahren zielt auf eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Welle-Nabe-Pressverbindung ab, um die Auswirkungen einer Reibdauerbeanspruchung zu verringern. Dabei wird mindestens eine Fügefläche mit einer verbundstabilen Konversionsschicht aus fest haftenden Metallphosphaten versehen. Diese Konversionsschicht verhindert den adhäsiven Kontakt zwischen den Fügebauteilen und ermöglicht so die Ausführung der Welle-Nabe-Verbindung (WNV) als Längspressverbindung ohne die Verwendung von Schmierstoffen. Überdies verhindert der in das Grundmaterial hineinwachsende Teil der Beschichtung die Bildung von Passungsrost bei einer dauerhaften Reibbeanspruchung in der Pressfuge.
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Mittels beschichteter Fügeflächen lassen sich daher auch stabile Fügeverbindungen, insbesondere Pressverbindungen, zwischen Fügebauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen realisieren. Dies erlaubt eine beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl einzelner Fügebauteile einer Baugruppe.
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Den vorgeschilderten Einsparpotentialen bei beschichteten Fügeverbindungen stehen jedoch die hohen Bearbeitungskosten entgegen, da, wie eingangs erläutert, die miteinander zu verbindenden Fügeflächen über eine hohe Maßhaltigkeit (unter Einhaltung von engen Toleranzfeldern) und eine hohe Oberflächengüte verfügen müssen. Um den sich bei Fügeverbindungen, insbesondere Pressverbindungen, mit beschichteten Fügeflächen bietenden Vorteil der angepassten Werkstoffauswahl voll nutzbar machen zu können, ist daher eine großserienfähige Technologie notwendig, mit der die vorgenannten hohen Anforderungen an die Qualität/Maßhaltigkeit der Fügefläche prozesssicher erfüllt werden können. Zwar ist es bekannt, dass Werkstücke durch spanlose Umform- oder Trennverfahren (z. B. durch ein konventionelles Scherschneidverfahren) erheblich kostengünstiger als mit anderen Verfahren (Drehen, Fräsen, Erodieren ...) hergestellt werden können. Bisher war es jedoch nicht möglich, ausschließlich mit solchen Verfahren Fügebauteile mit qualitativ hochwertigen Fügeflächen herzustellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fügebauteil mit wenigstens einer Fügefläche zur Verbindung mit der Fügefläche eines weiteren Fügebauteils zu schaffen, welches kostengünstig in seiner Herstellung ist und dennoch eine hohe Fügeflächenqualität aufweist. Außerdem ist es die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fügebauteils anzugeben.
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Die auf das Fügebauteil gerichtete Aufgabe wird durch ein Fügebauteil gelöst, dessen Fügefläche durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellt ist.
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Der Begriff „Fügebauteil” bezeichnet ein Element, das über eine Fügefläche mit der Fügefläche eines weiteren Fügebauteils form-, stoff- und/oder kraftschlüssig gefügt werden kann. Die Erfindung stellt ein kostengünstig herstellbares Fügebauteil bereit, indem (zumindest) die Fügefläche dieses Fügebauteils durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzeugt wird. Die Ersparnis an Herstellungskosten resultiert daraus, dass zur Herstellung der Fügefläche nur ein einziger Herstellungsschritt, nämlich das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) eines entsprechenden Ausgangswerkstücks, erforderlich ist. Somit entfällt der kostspielige Arbeitsgang des nachträglichen Schleifens und Polierens der Fügefläche und durch die einhergehende Verkürzung der Prozesskette ergibt sich eine deutliche Reduzierung der erforderlichen Ressourcen (Material, Zeit und Anlagenenergiebedarf) zur Herstellung des Fügebauteils. Trotzdem weist die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellte Schnittfläche eine hohe Form- und Maßhaltigkeit und eine hohe Oberflächenqualität auf, um ohne nachträgliche Bearbeitung direkt als Fügefläche zur form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung eingesetzt werden zu können.
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Vorteilhafterweise kann die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellte Fügefläche rotationssymmetrisch, zum Beispiel in Form einer Bohrungsinnenfläche oder einer Wellenaußenfläche, ausgeführt sein, um mit einer entsprechenden rotationssymmetrischen Fügefläche eines weiteren Fügebauteils fügbar zu sein.
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Somit können auch die kreiszylindrischen Passflächen von Welle-Nabe-Verbindungen durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellt sein, wodurch sich geringere Gesamtkosten der Welle-Nabe-Verbindung ergeben. Insbesondere erhält man durch das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden auf prozesssichere Art und Weise eng tolerierte Passflächen, die für zylindrische Pressverbindungen von Welle und Nabe erforderlich sind. Zudem befinden sich die beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erreichbaren Oberflächenrauhigkeiten der Passflächen in einem für Pressverbindungen geeigneten Bereich.
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Alternativ kann die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellte Fügefläche punktsymmetrisch ausgeführt sein, um mit einer entsprechenden punktsymmetrischen Fügefläche eines weiteren Fügebauteils, zum Beispiel unter Ausbildung einer Keilwellenverbindung, einer Polygonverbindung oder einer sonstigen formschlüssigen Verbindung, fügbar zu sein.
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Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden lässt sich daher durch eine entsprechende Ausgestaltung der Schneidwerkzeuge zur Herstellung unterschiedlichster Fügeflächengeometrien einsetzen. Auch kann vorteilhafterweise die gesamte Fügebauteilgeometrie (nicht nur die Fügeflächen) durch ein- oder mehrstufiges Hochgeschwindigkeitsscherschneiden eines plattenförmigen Ausgangswerkstücks hergestellt sein. So können Fügebauteile mit hoher Taktzahl auf Hochgeschwindigkeitsscherschneidanlagen hergestellt werden.
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Vorzugsweise weist die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellte Fügefläche einen arithmetischem Mittenrauwert Ra von weniger als 1.3 μm und eine mittlere Rautiefe Rz von weniger als 17.1 μm auf.
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Diese mit Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erreichbaren Rauhigkeitswerte der Schnittfläche sind ausreichend, um die Schnittfläche als Fügefläche für eine Fügeverbindung einzusetzen. Insbesondere für Pressverbindungen wird lediglich ein maximaler Mittenrauwert Ramax von 1.6 μm für die Fügefläche (Pressfläche) gefordert, der durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden problemlos zu realisieren ist. Die nach dem Hochgeschwindigkeitsscherschneiden vorliegende, verhältnismäßig große Rautiefe (Rzmax = 17.1 μm) ist insbesondere bei Pressverbindungen nicht von Nachteil, da hier beim Zusammenpressen der Fügebauteile (z. B. Welle und Nabe) ohnehin eine Glättung der Oberflächenrauhigkeit der jeweiligen Fügefläche erfolgt.
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Vorteilhafterweise verläuft die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellte Fügefläche durch das Korn des Fügebauteilmaterials hindurch.
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Dadurch, dass die Scherfläche durch das Korn hindurch und nicht – wie beispielsweise bei konventionellen Scherschneidverfahren – an den Korngrenzen entlang verläuft, kann durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden eine feinstrukturierte Schnittfläche erzeugt werden. Somit lässt sich diese Schnittfläche ohne eine zusätzliche spanende Nachbearbeitung (z. B. durch Schleifen oder Polieren) als Fügefläche nutzen. Weiterhin ist die durch den Hochgeschwindigkeitsscherschneidprozess hervorgerufene Deformation des Fügebauteils äußerst gering im Vergleich zu Deformationen, die bei konventionellen Scherschneidverfahren entstehen, so dass eine hohe Maßhaltigkeit des Fügebauteils gewährleistet ist.
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In bevorzugter Weise ist das Fügebauteil als Nabenelement ausgebildet, wobei die innere Umfangsfläche einer Nabenbohrung eine Fügefläche des Nabenelements bildet, die mit einer äußeren Umfangsfläche eines Wellengrundkörpers zur Bildung einer Welle-Nabe-Verbindung fügbar ist.
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An den Durchmesser der Nabenbohrung werden hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt, um die Montierbarkeit und Übertragungsfähigkeit der Welle-Nabe-Verbindung sicherzustellen. Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ermöglicht die Herstellung von Nabenbohrungen mit hoher Durchmessergenauigkeit. So lässt sich mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ein ISO-Toleranzgrad (IT) von 7 für die Durchmessertoleranz der Nabenbohrung erzielen. Ein solcher Toleranzgrad des Nabenbohrungsdurchmessers reicht aus, um die gewünschte Passung (Spiel- oder Presspassung) zwischen Nabenelement und Wellengrundkörper zu erreichen.
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In weiter bevorzugter Ausführung weist die Nabenbohrung ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf, welches kleiner als 1.2 ist.
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Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ist besonders geeignet für die Herstellung von dünnen Nabenelementen mit einer im Verhältnis zum Nabenbohrungsdurchmesser kurzen Nabenbohrungslange. Somit können die Nabenelemente durch ein ein- oder mehrstufiges Hochgeschwindigkeitsscherschneiden eines plattenförmigen Ausgangswerkstücks mittels Schneidstempel oder Schneidmatrize hergestellt werden.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fügebauteil ein separates Nockenelement zur drehfesten Anordnung auf einem Nockenwellengrundkörper und zur Betätigung eines Ventils. Ein solches Nockenelement weist eine Nockenbohrung mit einer inneren Umfangsfläche und wenigstens einen exzentrischen Nocken mit einer äußeren Nockenfläche auf, wobei die innere Umfangsfläche und die äußere Nockenfläche die Fügeflächen des Nockenelements bilden.
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Bei einem Nockenelement handelt es sich demzufolge um ein unter den Oberbegriff „Nabenelement” fallendes Bauteil, da es ebenfalls eine Bohrung zur drehfesten Montage auf einem Wellengrundkörper (genauer: einem Nockenwellengrundkörper) umfasst, wobei die innere Umfangsfläche als Fügefläche zur Verbindung mit der äußeren Wellenumfangsfläche dient. Zusätzlich ist das Nockenelement an seinem äußeren Umfang mit einem exzentrischen Nocken versehen, dessen äußere Nockenfläche eine Bewegung eines Ventils bewirkt. Zu diesem Zweck befindet sich die gekrümmte Nockenaußenfläche in gleitendem oder rollendem Kontakt mit einem Ventilstößel. Die Kontur der Nockenaußenfläche bestimmt die Bewegung des Ventils und beeinflusst somit maßgeblich die Motorcharakteristik. Demzufolge muss auch die Nockenaußenfläche mit hoher Maßhaltigkeit und Oberflächengüte hergestellt sein.
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Bislang schien eine Nachbearbeitung der Nockenelemente durch Schleifen unerlässlich zu sein, um die vorgeschilderten Genauigkeitsanforderungen zuverlässig einhalten zu können. Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden bietet die Möglichkeit, selbst derart kritische Maschinenelemente wie Nockenelemente auf eine kostengünstige und dennoch qualitativ hochwertige Weise herzustellen. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die gesamte Umfangsfläche des Nockenelements (sowohl die gesamte radial innere als auch die gesamte radial äußere Umfangsfläche) in einem einzigen Arbeitsgang durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden eines plattenförmigen Ausgangswerkstücks hergestellt wird. Dies ermöglicht eine hochrationelle Fertigung des Nockenelements zu niedrigsten Kosten.
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Die Herstellung von Fügeflächen mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden schließt auch Fälle ein, in denen die Fügeflächen zunächst durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden vorgefertigt und dann noch einer nachträglichen spanenden Bearbeitung (z. B. einer Schleifbearbeitung) unterzogen werden. So kann insbesondere die Nockenaußenfläche eines Nockenelements zunächst durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden auf ein Schleifaufmaß (von etwa 0,3 mm) gebracht werden und dieses Schleifaufmaß anschließend zur Herstellung der endgültigen Nockenkontur durch Schleifen abgetragen werden. Auch dies würde schon zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen, da die vorhergehende Bearbeitung durch Fräsen entfällt.
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Vom Begriff „Fügebauteil” sind alle Bauteile umfasst, die wenigstens eine Fügefläche aufweisen zur Verbindung mit wenigstens einer Fügefläche eines weiteren Fügebauteils. Folglich stellen alle Bauteile mit einer rotationssymmetrischen Fügefläche zur Aufnahme eines zylindrischen Wellenabschnitts Fügebauteile im Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Außer bei der Herstellung von Nockenelementen kann das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden somit beispielsweise auch bei der Herstellung von Ausgleichsmassen für eine gebaute Ausgleichswelle oder von Zahnrädern für einen Nebenantrieb eines Verbrennungsmotors zur Anwendung gelangen.
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Zudem umfasst der Begriff „Fügebauteil” auch Bauteile, die als Fügefläche nicht oder nicht ausschließlich eine innere Umfangsfläche zur Realisierung einer Verbindung mit einer Wellenaußenfläche aufweisen. Demzufolge ist auch ein Verbindungselement mit einem Stiftloch ein Fügebauteil, denn die innere Umfangsfläche des Stiftlochs bildet eine Fügefläche, die mit dem eingeführten Stift in Eingriff steht. Auch eine Zentrierung für ein Blechteil ist als Fügebauteil anzusehen, denn die die Zentrierung des Blechteils bewirkenden Anlageflächen stellen Fügeflächen dar.
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Die auf das Verfahren zur Herstellung eines Fügebauteils gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die wenigstens eine im Fügebauteil vorgesehene Fügefläche durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellt wird.
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Im Gegensatz zur spanenden Bearbeitung von Fügeflächen, die in der Regel durch Schleifen erfolgt, bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, hochpräzise Fügeflächen direkt (d. h. ohne nachträgliche Schleifbearbeitung) herzustellen. Somit können Fügebauteile durch einen Hochgeschwindigkeitsscherschneidprozess mit hohem Durchsatz und mit hoher Wiederholgenauigkeit produziert werden. Dabei lassen sich (trotz fehlender Schleifbearbeitung) enge Maß- und Formtoleranzen der Fügefläche einhalten und für Fügeverbindungen (insbesondere Pressverbindungen) akzeptable Oberflächenrauhigkeitswerte der Fügefläche erhalten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung näher angegeben.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 die erreichbaren ISO-Toleranzen (IT) bei Anwendung von verschiedenen Schneidverfahren;
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2 eine schematische Schnittansicht durch ein Werkzeug zum Hochgeschwindigkeitsscherschneiden eines plattenförmigen Ausgangswerkstücks;
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3 ein durch ein konventionelles Verfahren gefertigtes Nockenelement im ungeschliffenen Rohzustand;
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4a die Schnittkantengeometrie entlang der Schnittlänge von einem mittels des Hochgeschwindigkeitsscherschneidwerkzeugs nach 2 geschnittenen Bauteil;
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4b die Oberflächenbeschaffenheit der Schnittfläche von einem mittels des Hochgeschwindigkeitsscherschneidwerkzeugs nach 3 geschnittenen Bauteil;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Nockenelements.
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Die ovalen Begrenzungslinien in der Tabelle gemäß 1 stellen die durch Feinschneiden, durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden und durch konventionelles Scherschneiden erreichbaren ISO-Toleranzen dar.
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Demzufolge bewegen sich die durch Scherschneiden erreichbaren ISO-Toleranzen in einem Bereich von 10 bis 11. Eine derartig hohe Toleranz im Bereich von IT10 bis IT11 ist für die meisten Fügeverbindungen unzureichend. Beispielsweise werden nach DIN 7190 für die in der Praxis häufig eingesetzten Welle-Nabe-Pressverbindungen Toleranzfeldgrößenkombinationen von IT6 für die Welle und IT7 für die Nabe empfohlen.
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Das Feinschneiden ermöglicht im Vergleich zum konventionellen Scherschneiden eine deutlich erhöhte Maß- und Formgenauigkeit und zudem eine deutlich höhere Oberflächengüte. Die erreichbare Maßgenauigkeit ist dabei abhängig von der Genauigkeit des Werkzeugs, dem Werkstoff und der geometrischen Form, wobei ISO-Toleranzen von bis zu 6 erreicht werden können. Jedoch wird die Verbesserung an Maßhaltigkeit und Oberflächengüte beim Feinschneiden teuer erkauft. Zum einen wird mit relativ geringer Schneidgeschwindigkeit gearbeitet, um den unerwünschten Bruchvorgang zu unterdrücken, und zum anderen sind spezielle vollhydraulische Feinschneidpressen notwendig, um die Schnittkraft, die Haltekraft für das Werkstück und die Gegenkraft exakt einstellen zu können. Der hohe Zeitaufwand und die hohen Werkzeugkosten schlagen sich in hohen Herstellungskosten nieder, wodurch die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt wird.
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Durch die Nutzung des Hochgeschwindigkeitsscherschneidens zur Herstellung von Fügebauteilen ist ein idealer Kompromiss aus Wirtschaftlichkeit und Produktqualität erzielbar. Mit dieser Technologie lassen sich im Vergleich zum konventionellen Scherschneiden deutlich engere Toleranzen von bis zu IT7 einhalten und zugleich sehr gute Oberflächengüten erzielen. Dies eröffnet die Möglichkeit, die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzeugte Schnittfläche ohne weitere Nachbearbeitung als Fügefläche einzusetzen.
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Fügeflächen dienen dazu, den form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Kontakt mit einer weiteren Fügefläche herzustellen und unterliegen daher hohen Genauigkeitsanforderungen, die durch die Technologie des Hochgeschwindigkeitsscherschneidens erreicht werden können.
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Dies gilt insbesondere für die (nabenseitig und wellenseitig) radial umlaufenden Fügeflächen von Welle-Nabe-Verbindungen. Im Fall von Pressverbindungen sind in der DIN 7190 Grenzwerte für die Form- und Maßhaltigkeit sowie die Oberflächenqualität dieser Fügeflächen (Pressflächen) angegeben, die von den allein mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (ohne spanende Nachbearbeitung) erzeugten Schnittflächen eingehalten werden.
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Im Gegensatz zum Feinschneiden wird der qualitative Zugewinn nicht von wirtschaftlichen Nachteilen begleitet. Wie 2 entnommen werden kann, entspricht der prinzipielle Aufbau eines Hochgeschwindigkeitsscherschneidwerkzeugs 11 dem eines konventionellen Scherschneidwerkzeugs, wobei ein Niederhalter nicht zwingend erforderlich ist. Demzufolge weist das Hochgeschwindigkeitsscherschneidwerkzeug 11 einen Schneidstempel 9 und eine zum Schneidstempel 9 korrespondierende Schneidmatrize 10 auf.
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Die prinzipielle Abfolge des Hochgeschwindigkeitsscherschneidprozesses stimmt ebenfalls mit bekannten Scherschneidprozessen überein. Zunächst wird ein plattenförmiges Ausgangswerkstück 6 (z. B. Blech) auf die Schneidmatrize 10 gelegt. Im Anschluss wird das Oberwerkzeug 8 samt Schneidstempel 9 auf das Ausgangswerkstück 6 heruntergefahren, so dass die Schneide des Schneidstempels 9 mit dem Ausgangswerkstück 6 in Berührung kommt und der Schneidvorgang beginnt.
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Im Gegensatz zu konventionellen Scherschneidprozessen durchdringt jedoch der Schneidstempel beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden das zu schneidende Ausgangswerkstück 6 (z. B. Blech) nicht. Vielmehr dringt der Schneidstempel 9 nur einen geringen Teil in das Ausgangswerkstück 6 ein. Dadurch kann der Durchmesser der Schneidmatrize 10 kleiner gewählt werden als der Durchmesser des Schneidstempels 9. Dies ermöglicht sogar die Herstellung negativer Schnittkantenwinkel, muss aber durch einen erhöhten Verschleiß der Aktivteile (Schneidstempel 9 und Schneidmatrize 10) erkauft werden. Gegenüber anderen konventionellen Schneidverfahren bietet das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden jedoch den entscheidenden Vorteil, dass damit der Schnittkantenwinkel präzise eingestellt werden kann.
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Der Schneidstempel 9 schiebt einen Butzen 12 in die sich konisch erweiternde Öffnung 15 der Schneidmatrize 10. Diese Endphase des Schneidvorgangs ist in 2 dargestellt. Anschließend wird der Schneidstempel 9 aus der Schneidmatrize 10 und dem Ausgangswerkstück 6 nach oben herausgefahren und auf der Schneidmatrize 10 verbleibt das geschnittene Bauteil 1 mit einer Bohrung 4, wobei die Schnittfläche die innere Umfangsfläche 2 dieser Bohrung 4 bildet.
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Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden unterscheidet sich vom konventionellen Schneiden dadurch, dass der Schneidprozess mit derart hoher Geschwindigkeit abläuft, dass die Energie des Werkzeugs (Schneidstempels 9) nahezu vollständig in Trennenergie umgewandelt wird und nicht als Wärme in der Prozessumgebung verloren geht (sogenanntes „adiabatisches Trennen”). Zur Realisierung des Effekts des adiabatischen Trennens wir die obere Werkzeughälfte 8 durch einen (hydraulischen, pneumatischen oder magnetischen) Impuls beschleunigt, damit der Schneidstempel 9 mit der geforderten hohen Geschwindigkeit auf das zu schneidende Ausgangswerkstück 6 auftrifft. Das Hochgeschwindigkeitsgebiet beginnt bei ca. 0.5 m/s Anschneidgeschwindigkeit, wobei auf Hochgeschwindigkeitsscherschneidanlagen Stempelgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s und 120 Hub/min realisierbar sind. Gemäß der VDI-Richtlinie 3368 ist das Hochgeschwindigkeitsgebiet erst ab einer Geschwindigkeit von ca. 0.8 m/s erreicht.
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Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ermöglicht Oberflächenrauhigkeiten in der Schnittfläche, die innerhalb der für Fügeverbindungen zulässigen Bereiche liegen oder zumindest nahe an diese heranreichen. Die Struktur der Oberflächenrauheiten der mit Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) erzeugten Schnittflächen unterscheidet sich von den Strukturen anderer, mittels spanender Verfahren (z. B. Schleifen) hergestellter Oberflächen dadurch, dass es einige wenige Erhebungen 14 auf einer relativ ebenen Grundfläche gibt (vgl. 4b). Diese vereinzelten Erhebungen 14 in der HGSS-Schnittfläche sind jedoch insbesondere dann nicht relevant, wenn die HGSS-Schnittfläche als Fügefläche 2 (Pressfläche) einer Pressverbindung eingesetzt wird. Durch die in der Pressfuge wirkende Pressung werden nämlich diese wenigen Erhebungen 14 sofort eingeebnet. Dadurch kann bei der Verwendung von mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden geschnittenen Bauteilen für eine Pressverbindung (z. B. Nabenelement 1 einer Welle-Nabe-Verbindung) mit höheren nominellen Rauheiten gearbeitet werden, als dies bei geschliffenen oder gedrehten Oberflächen der Fall wäre.
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Bei der Verwendung von mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellten Schnittflächen als Fügeflächen (Passflächen) für Löt- und/oder Schweißverbindungen (deren Fügebauteile zunächst ein Spiel aufweisen) ist die charakteristische Oberflächenstruktur des Hochgeschwindigkeitsscherschneidprozesses mit vereinzelten Erhebungen 14 sogar von Vorteil. Durch diese Erhebungen 14 kann es nämlich zu einem zusätzlichen Mikroformschluss zwischen Lot bzw. Schweißgut und Fügebauteil kommen. Dieser zusätzliche Mikroformschluss entsteht allerdings nur, wenn es bedeutende Härteunterschiede zwischen den Fügepartnern gibt. Bekannt ist die Wirkung von harten Partikeln, wie zum Beispiel Diamant- oder SiC-Partikeln, in der Pressfuge. Bei Fügepartnern gleicher Härte konnte kein Einfluss der Rauheit auf die Übertagungsfähigkeit gefunden werden.
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Zudem ist es gemäß 2 möglich durch einen einzigen Arbeitsgang, nämlich durch den dargestellten Hochgeschwindigkeitsscherschneidvorgang, eine Nabenbohrung 4 für ein Nabenelement 1 zu fertigen, ohne dass die Nabenbohrung 4 einer weiteren spanenden Nachbearbeitung bedarf. Durch das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) können gemäß 1 ISO-Toleranzgrade (IT) von bis zu 7 für die Durchmessertoleranz der Nabenbohrung 4 erreicht werden. Da ein solcher Toleranzgrad für viele Welle-Nabe-Verbindungen ausreichend ist, kann allein durch die Nutzung des HGSS-Prozesses ein montagefertiges Nabenelement 1 hergestellt werden, was erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt.
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Ein Beispiel für ein Nabenelement 4, bei dem sich das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden vorteilhaft einsetzen lässt, ist ein Nockenelement. 3 zeigt ein nach einem konventionellen Verfahren gefertigtes Nockenelement 15 in einem Rohzustand, wobei das dargestellte „Roh-Nockenelement” noch einer aufwendigen Nachbearbeitung unterzogen werden muss, um den einbaufertigen Endzustand zu erreichen. Diese „Roh-Nockenelemente” 15 werden zurzeit durch Sintern, durch Kaltmassivumformen oder durch Schmieden vorgeformt.
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An die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der Nockenbohrung 4 werden sehr hohe Anforderungen gestellt, um eine dauerhafte Fügeverbindung zwischen Nockenelement und Nockenwellengrundkörper sicherzustellen. Daher ist es derzeit unerlässlich, die Nockenbohrung 4 nach der Vorformung noch spanend nachzubearbeiten (z. B. mittels Schleifens), um die an die Nockenbohrung 4 gestellten Genauigkeitsanforderungen einhalten zu können. Die Außenkontur 16 des in 3 gezeigten „Roh-Nockenelements” muss zunächst durch Fräsen auf ein Schleifaufmaß gebracht und danach ebenfalls schleifend nachbearbeitet werden. In Summe sind beträchtliche spanende Bearbeitungsumfänge notwendig, um ein Nockenelement 1 in der geforderten Qualität herzustellen.
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Indem die gesamte radial innere Umfangsfläche 2 (Bohrungsinnenfläche) und die gesamte radial äußere Umfangsfläche 7 (Außenkontur) des Nockenelements 1 durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) auf einer HGSS-Anlage werkzeugfallend gefertigt werden, können spanende Bearbeitungsschritte in der Nockenelementherstellung komplett entfallen. Das Ergebnis ist eine enorme Produktivitätssteigerung und eine erhebliche Senkung der Herstellungskosten von Nockenelementen 1.
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Allerdings sind von der vorliegenden Erfindung auch Fälle umfasst, bei denen die Fügefläche zunächst durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden auf ein Schleifaufmaß gebracht wird und anschließend dieses Schleifaufmaß zwecks Herstellung der endgültigen Fügeflächenkontur mittels Schleifens abgetragen wird. Eine solche schleifende Nachbearbeitung ist insbesondere zur Herstellung der äußeren Nockenfläche 3 erforderlich.
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5 zeigt exemplarisch die Abfolge der einzelnen Schritte beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) eines plattenförmigen Ausgangswerkstücks 6 zwecks Herstellung eines Nockenelements 1. Hierbei wird zum Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ein zweistufiges Folgeverbund-Werkzeug eingesetzt, in dessen erster Stufe die Nockenbohrung 4 im Ausgangswerkstück 6 gelocht wird und in dessen zweiter Stufe anschließend das Schneiden der Außenkontur 7 und das Austragen des fertigen Nockenelements 1 erfolgt. Beide Schritte werden nacheinander im Takt des Hubes der HGSS-Anlage durchgeführt. Das Ausgangswerkstück 6 wird dabei um die jeweilige Vorschublänge vom ersten HGSS-Werkzeug (Lochen der Nockenbohrung 4) zum zweiten HGSS-Werkzeug (Schneiden der Außenkontur 7) durch die HGSS-Anlage taktweise vorgeschoben (z. B. mit Hilfe von einem oder mehreren Trägerstreifen).
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Bisher schienen spanlose Trennverfahren angesichts der beim Trennvorgang auftretenden Geometriedeformationen (Einzüge und Schnittkantenwinkel) und angesichts der Oberflächenrauheit der Trennfläche (Übergang von Bruch- zu Glattschnittanteil) ungeeignet zu sein, um auf prozesssichere Art und Weise eine maßstabile, feinstrukturierte Fügefläche für eine Fügeverbindung herzustellen. Dies galt insbesondere für eine Pressfläche, wie z. B. eine innere Umfangsfläche 2 einer Nabenbohrung 4, welche mit einer weiteren Pressfläche, wie z. B. einer Wellenaußenfläche, eine Pressverbindung, wie z. B. eine Welle-Nabe-Pressverbindung, eingeht.
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Die vorliegende Erfindung hat jedoch erkannt, dass insbesondere die im Hinblick auf die Durchmesser- und Zylinderformtoleranz sowie die Oberflächenqualität von Nabenbohrungen 4 für Welle-Nabe-Pressverbindungen gestellten Anforderungen durch das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden dauerhaft realisiert werden können. Zwar stößt das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden bei einem Verhältnis von Bohrungslänge 1 zu Bohrungsdurchmesser d von ca. 1.2 an seine Grenzen, jedoch gibt es aktuell eine Vielzahl von Anwendungen (z. B. Nockenelemente 1 von gebauten Nockenwellen), bei denen kurze Naben mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis l/d ≤ 1.2 auf Wellen gefügt werden.
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Die Schnittkantengeometrie und die Oberflächenbeschaffenheit der mit Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzeugten Trennfläche weist ideale Eigenschaften auf, um als Pressfläche 2 in einer Welle-Nabe-Verbindung eingesetzt zu werden. 4a zeigt die Schnittkantengeometrie entlang der Schnittlänge l einer mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellten Nabenbohrung 4. Die mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzeugte Schnittfläche 2 weist nur einen geringen bzw. keinen Schnittgrat auf. Weiter zeichnet sich die Schnittfläche 2 durch einen rechtwinkligen Verlauf aus, der dem idealen 90°-Schnittwinkel entspricht. Beispielsweise wäre eine Abweichung von 1° zur Orthogonalen für die Anwendung in Pressverbindungen schon zu viel, um in der Zylinderformtoleranz zu bleiben. Bei den durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellten Schnittflächen betragen die Abweichungen von der Rechtwinkligkeit jedoch deutlich weniger als 1°. Es treten somit keine oder nahezu keine Form- und Lageabweichungen in Schnittrichtung auf. Bei richtiger Schneidspaltwahl lässt sich zudem ein sehr geringer Einzug 17 erzielen. Außerdem weist die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzeugte Schnittfläche 2 einen sehr hohen Bruchflächenanteil auf, der eine wesentlich feinkörnigere Oberfläche aufweist als konventionell erzeugte Bruchflächen. Die Scherfläche verläuft nämlich beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden nicht an den Korngrenzen entlang, sondern verläuft durch das Korn hindurch, was anhand entsprechender metallographischer Schliffbilder feststellbar ist.
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4b zeigt eine Konturaufnahme der Rauheit einer mittels Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) erzeugten Schnittfläche 2, welche mithilfe einer entsprechenden Software vermessen und ausgewertet wurde. Auffällig sind die im Vergleich zu geschliffenen Oberflächen ausgeprägten Rauheitsspitzen (Erhebungen 14) in kleinen Bereichen. Dies wird in der großen Differenz von arithmetischem Mittenrauheitswert Ra = 1.3 μm und mittlerer Rautiefe Rz = 17.1 μm deutlich. Während beispielsweise bei geschliffenen Wellen das Verhältnis von mittlerer Rautiefe Rz zu arithmetischem Mittenrauwert Ra bei ca. 4 liegt, beträgt bei der mittels HGSS geschnittenen Oberfläche das Verhältnis von mittlerer Rautiefe Rz zu arithmetischem Mittenrauwert Ra ca. 13.
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Die vereinzelten Rauhigkeitsspitzen (Erhebungen 14), die sich in dem hohen Verhältnis Rz/Ra niederschlagen, sind jedoch für den Einsatz der HGSS-Schnittflächen als Pressfläche 2 in einer Pressverbindung kein Hindernis. Zum einen liegt der durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erzielbare arithmetische Mittenrauwert Ra deutlich innerhalb des für Pressverbindungen empfohlenen Bereichs (Ra ≤ 1.6 μm). Zum anderen ist bei einer Pressverbindung eine Einebnung der vereinzelten Rauhigkeitsspitzen (Erhebungen 14) in der mittels HGSS geschnittenen Pressfläche 2 zu erwarten.
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Zusammenfassend ist daher festzuhalten, dass sich die durch Hochgeschwindigkeitsscherschneiden hergestellten Trennflächen auf Grund ihrer gratarmen bzw. -freien, feinstrukturierten und rechtwinkligen Gestalt ideal zur Erfüllung der hohen Maßhaltigkeits- und Passgenauigkeitsanforderungen von Fügeflächen eignen. Zudem eröffnet sich durch den kompletten Wegfall einer mechanischen Nachbearbeitung (z. B. durch Schleifen) ein enormes Kosteneinsparungspotential bei der Herstellung von Fügebauteilen und von daraus zusammengesetzten Baugruppen.
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Insbesondere ist das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden zum Herstellen einer Nabenbohrung 4 geeignet, deren innere Umfangsfläche 2 mit einer äußeren Umfangsfläche eines Wellengrundkörpers zur Bildung einer Welle-Nabe-Verbindung fügbar ist. Hier können die hohen Anforderungen in Bezug auf Durchmesser-, Form- und Lagegenauigkeit sowie Oberflächengüte der Nabenbohrungsinnenfläche 2 (Fügefläche) in prozesssicherer Art und Weise durch das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden erfüllt werden. Damit lässt sich die Prozesskette zur Herstellung eines Nabenelements 1 bedeutend verkürzen und entsprechend hohe Einsparungen an Energie und im Materialeinsatz erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 7190 [0003]
- DIN 7190 [0004]
- DIN 7190 [0042]
- DIN 7190 [0046]
- VDI-Richtlinie 3368 [0051]
