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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen und Reibschweißen eines metallischen Einsatzes in einen als Gussbauteil ausgebildeten Lagerstuhl eines Kurbelgehäuses gemäß Anspruch 1.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 115 338 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer porösen Legierung mit zumindest einem Schraubverbindungselement bekannt. Dabei wird eine Vorbohrung in ein poröses Gussbauteil eingebracht, wobei ein rotierender Bolzen, dessen Durchmesser größer ist als derjenige der Vorbohrung, in die Vorbohrung eingeführt wird. Dadurch wird das der Vorbohrung benachbarte Material erwärmt und plastifiziert, und der Bolzen wird in diesen plastifizierten Bereich eingepresst und abgekühlt. Auf diese Weise wird eine Reibschweißverbindung des Bolzens mit dem porösen Gussbauteil erzielt. Aus dem reibgeschweißten Bolzen wird schließlich ein Schraubverbindungselement geschaffen. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, hochfeste Gewindeeinsätze auch in an sich porösen Gussbauteilen vorzusehen. Das Verfahren wird bevorzugt eingesetzt, um einen Gewindeeinsatz in den Lagerstuhl eines Kurbelgehäuses einzubringen.
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Außerdem offenbart die
US 2008/0237304 A1 ein Verfahren zum Reparieren einer integralen Motorkomponente. Des Weiteren ist aus der
DE 858 145 B eine Durchleuchtungsanlage für Großgussteile bekannt.
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Es zeigt sich jedoch, dass bestehende Vorrichtungen zum Einbringen von metallischen Einsätzen in Gussbauteile, insbesondere bekannte Reibschweißvorrichtungen, nur für Teile mit vergleichsweise einfacher und kleiner Geometrie ausgestaltet sind. Mithilfe dieser Vorrichtungen ist es daher nicht möglich, Gussbauteile von der Größenordnung eines Lagerstuhls eines Kurbelgehäuses zu bearbeiten. Dies liegt insbesondere an einer mangelhaften Abstützung, welche solche Vorrichtungen für zu bearbeitende Gussbauteile dieser Größe bereitstellen. Es zeigt sich außerdem, dass diese Vorrichtungen nur vergleichsweise geringe Eindringtiefen für die metallischen Einsätze in Gussbauteile ermöglichen, weil es insbesondere an einer Verbindung zwischen dem Einsatz und der Vorrichtung fehlt, die stabil genug ist, um hohe Kräfte auch in großen Eintauchtiefen aufzubringen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Die Vorrichtung weist eine Aufnahme auf, welche eingerichtet ist zur Halterung eines Gussbauteils. Sie weist weiterhin eine Spindel auf, die eingerichtet ist zur Halterung eines metallischen Einsatzes, wobei eine Dreheinrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist zum Bewirken einer Relativdrehung zwischen dem Einsatz beziehungsweise der Spindel und dem Gussbauteil beziehungsweise der Aufnahme um eine Drehachse. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass die Spindel und damit zugleich der Einsatz, und/oder die Aufnahme und damit zugleich das Gussbauteil gedreht wird/werden, wobei es möglich ist, dass das jeweils andere Teil relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem ruht. Bevorzugt wird eine Vorrichtung, bei welcher die Dreheinrichtung eingerichtet ist zur Drehung der Spindel und damit zugleich des in der Spindel gehaltenen Einsatzes, wobei das Gussbauteil vorzugsweise relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem in der Aufnahme drehfest gehalten wird. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahme eingerichtet ist zur Abstützung des Gussbauteils in drei Achsen. Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung bevorzugt dadurch aus, dass die Spindel wenigstens ein Formschlusselement aufweist, wobei das Formschlusselement eingerichtet ist zur drehmomentübertragenden Verbindung mit dem Einsatz. Dadurch, dass die Aufnahme das Bauteil in drei Achsen abstützt, wird dieses sehr stabil gehalten, was auch die Bearbeitung vergleichsweise großer Gussbauteile wie einem Lagerstuhl eines Kurbelgehäuses ermöglicht. Das wenigstens eine Formschlusselement der Spindel ermöglicht eine verbesserte, kräfte- und drehmomentübertragende Verbindung zwischen der Spindel und dem Einsatz, sodass dieser tief in das Gussbauteil eingetaucht und dort reibgeschweißt werden kann, selbst bei hohen beim Reibschweißen auftretenden Drehmomenten und Axialkräften.
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Dabei zeigt sich, dass beim Durchführen des Reibschweißverfahrens sehr hohe Stauchkräfte auftreten. Mithilfe der massiven dreiachsigen Abstützung durch die Aufnahme für das Gussbauteil ist es möglich, auch diese sehr hohen Axialkräfte zu kompensieren. Die Spindel mit dem Formschlusselement dient der Führung des rotierenden Einsatzes, was aufgrund der hohen Stabilität der Verbindung zwischen der Spindel und dem Einsatz eine große Eintauchtiefe des rotierenden Einsatzes von bis zu 100 mm oder auch mehr als 100 mm in das Gussbauteil ermöglicht, um Reibschweißungen auch tief im Inneren des Gussbauteils, insbesondere in einem inneren Kurbelraum eines Zylinderkurbelgehäuses, durchführen zu können.
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Die Vorrichtung ist bevorzugt eingerichtet zur Bearbeitung eines Druckgussbauteils, insbesondere eines Aluminium-Druckgussbauteils. Der metallische Einsatz ist vorzugsweise als Gewindeinsert ausgebildet, besonders bevorzugt als Stahleinsatz. Auch andere Materialien und/oder Materialpaarungen für das Gussbauteil einerseits und den metallischen Einsatz andererseits sind möglich. Ein Stahlinsert weist verbesserte mechanische Eigenschaften im Vergleich zu dem Grundmaterial des Gussbauteils, insbesondere im Vergleich zu Aluminiumdruckguss auf, welches Poren und Lunker aufweist. Es ist möglich, dass der metallische Einsatz hohl ausgebildet ist und insoweit eine Vorbohrung aufweist, in welche später ein Gewinde geschnitten werden kann. Alternativ ist es möglich, dass der metallische Einsatz massiv ausgebildet ist, wobei er nach dem Reibschweißen in einem nachfolgenden Verfahrensschritt aufgebohrt werden kann, wobei anschließend ein Gewinde in den Gewindeeinsatz einbringbar ist. Es ist weiterhin möglich, dass der metallische Einsatz einen Vorsprung aufweist, der nach dem Reibschweißen aus dem Gussbauteil übersteht, wobei an dem Vorsprung ein Außengewinde geformt werden kann. Es ist auch möglich, dass der metallische Einsatz einen entsprechenden Vorsprung aufweist, der zu Halterung in der Spindel vorgesehen ist, wobei der Vorsprung nach dem Reibschweißen entfernt wird, und wobei in das restliche Material des metallischen Einsatzes dann ein Gewinde eingebracht wird. Es ist aber auch möglich, dass der Einsatz bereits vor dem Reibschweißen ein vorkonfektioniertes Gewinde aufweist.
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Vor dem Reibschweißen wird bevorzugt in das Gussbauteil eine Vorbohrung eingebracht, besonders bevorzugt eine konische Vorbohrung mit einem Öffnungswinkel von mindestens 6° bis höchstens 14°. Bevorzugt wird die Bohrung zur Reduzierung einer Kerbwirkung verrundet eingebracht, insbesondere mit einer Bohrungstiefe von mindestens 25 bis höchstens 40 mm. Der Durchmesser der Bohrung ist bevorzugt kleiner als der Durchmesser des Einsatzes.
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Die Vorrichtung ist bevorzugt eingerichtet zur Bewirkung einer Drehzahl des metallischen Einsatzes im Moment des Erstkontaktes mit dem Gussbauteil von 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min). Tritt der Einsatz in Kontakt mit dem Gussbauteil, fällt die Drehzahl typischerweise stark ab. Dabei ergibt sich ein hoher Wärmeeintrag durch Rotation. Während der Relativdrehung zwischen dem Einsatz und dem Gussbauteil wird in Axialrichtung der Vorbohrung und damit in Richtung der Drehachse der Vorrichtung ein axialer Reibdruck von mindestens 20 bar bis höchstens 30 bar aufgebracht.
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Beim Reibschweißen erfolgt in einer Prozesszone ein hoher Energieeintrag innerhalb kurzer Zeit, wobei eine Reibzeit vorzugsweise weniger als 0,3 s beträgt. Im Anschluss an eine Reibphase unter Relativdrehung des Gussbauteils und des Einsatzes wird der Einsatz gestoppt - insbesondere nach Ablauf der Reibzeit - und es wird ein axialer Stauchdruck zwischen dem Gussbauteil und dem Einsatz erzeugt, wobei dieser vorzugsweise mindestens 40 bar bis höchstens 60 bar beträgt. Hierdurch entsteht am gesamten Umfang des Einsatzes und auch der Vorbohrung eine feinkörnige Umformzone. Aufgrund der Nachdruckphase mit dem gehaltenen Stauchdruck ergibt sich ein Verdichtungseffekt des erstarrenden Materials. Anschließend wird in einem Endzustand bevorzugt noch ein Pressdruck in axialer Richtung in das Gussbauteil und den Einsatz eingeleitet, der mindestens 50 bar bis höchstens 60 bar beträgt. Dabei ergibt sich eine Schweißverbindung zwischen den Bauteilen mit einer dünnen intermetallischen Phase. Dies gilt besonders für eine Materialpaarung von Aluminium und Eisen. Im Verschraubungsbereich ergibt sich eine Porenreduktion. Außerdem wird eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch den hochbeanspruchbaren metallischen Werkstoff des Einsatzes, insbesondere durch einen Eisen-Werkstoff, bewirkt.
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Die Aufnahme weist wenigstens ein Stützelement und wenigstens ein schräg oder senkrecht zu dem Stützelement angeordnetes Seitenhaltelement auf. Bevorzugt weist die Aufnahme genau ein Stützelement und zwei Seitenhaltelemente auf. Die Spindel und/oder die Aufnahme sind axial entlang der Drehachse der Vorrichtung verlagerbar. Dabei ist bevorzugt die Spindel verlagerbar, wobei die Aufnahme relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem in Axialrichtung fest angeordnet sein kann. Es ist aber alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Aufnahme axial verlagerbar gehalten ist. Das Stützelement ist dabei bevorzugt senkrecht zu der Axialrichtung, also insbesondere senkrecht zu der Drehachse der Vorrichtung angeordnet. Auf diese Weise werden die beim Reibschweißen auftretenden Axialkräfte durch das Stützelement abgestützt. Das wenigstens eine Seitenhaltelement erstreckt sich bevorzugt parallel zu einer Ebene, in der die Axialrichtung liegt, wobei bevorzugt zwei Seitenhaltelemente seitlich von der Spindel angeordnet sind. Mit dem wenigstens einen Seitenhaltelement, vorzugsweise mit den beiden Seitenhaltelementen sind seitliche Kräfte - in Seitenrichtung - abstützbar, welche auf das Gussbauteil einwirken. Somit kann mittels der Aufnahme eine stabile Abstützung in Axialrichtung und in seitlicher Richtung bewirkt werden.
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Es ist möglich, dass eine Abstützung entlang einer dritten Achse, die schräg, insbesondere senkrecht auf der Axialrichtung und der zuvor betrachteten Seiten- oder Querrichtung steht, allein durch Festspannen des Gussbauteils an dem Stützelement bewirkt wird. Dieses wird dann durch die Spannkräfte, welche beim Festspannen wirksam werden, sicher und stabil auch entlang der dritten Achse, insbesondere einer Hochachse der Vorrichtung, also einer Vertikalachse, sicher gehalten. Dies stellt eine besonders einfache und materialsparende Ausgestaltung der Aufnahme für die Vorrichtung dar.
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Eine verbesserte Auflage und Abstützung des Gussbauteils kann allerdings bewirkt werden, wenn die Vorrichtung in bevorzugter Weise ein Grundauflageelement aufweist, das schräg, vorzugsweise senkrecht zu dem Stützelement und dem wenigstens einen Seitenhaltelement orientiert ist. Dabei kann sich das Gussbauteil vorzugsweise entlang der dritten Achse, insbesondere in Hochrichtung, auf dem Grundauflageelement abstützen. Das Grundauflageelement ist bevorzugt als Tragelement, besonders bevorzugt mit zwei Trägern, oder als geschlossener Tragboden ausgebildet. Mittels des Grundauflageelements kann auch das Aufspannen des Gussbauteils an dem Stützelement vereinfacht werden, in dem das Gussbauteil zunächst auf das Grundauflageelement aufgelegt und anschließend an dem Stützelement festgespannt werden kann. Dabei ist es möglich, dass die Seitenhaltelemente in einem letzten Schritt seitlich an das Gussbauteil zu dessen Unterstützung angelegt werden, nachdem dieses auf dem Grundauflageelement aufgelegt und mit dem Stützelement verspannt wurde.
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Die Aufnahme weist ein Spannelement, das formschlüssig mit dem Gussbauteil verbindbar und mittels wenigstens einem Spannmittel lösbar mit dem Stützelement verbindbar ist. Dabei wird das Gussbauteil bevorzugt mit dem Spannelement an dem Stützelement festgespannt. Besonders bevorzugt ist das Gussbauteil zwischen dem Spannelement einerseits und dem Stützelement andererseits festspannbar. Dadurch, dass das Spannelement formschlüssig mit dem Gussbauteil verbindbar ist, kann dieses einen äußerst stabilen und sicheren Halt des Gussbauteils an dem Stützelement und damit insgesamt an der Aufnahme bewirken.
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Das Spannelement ist als Halbwelle mit einem halbkreisförmigen Querschnitt ausgebildet, die formschlüssig in einer Lagergasse des Lagerstuhls des Kurbelgehäuses anordenbar ist. Die Halbwelle ist insbesondere bezüglich ihres halben Durchmessers auf einen Durchmesser der Lagergasse des Lagerstuhls derart abgestimmt, dass sie satt und mit bevorzugt flächiger Anlage in der Lagergasse aufnehmbar ist. Auf diese Weise wird die Stabilität der Aufspannung des Gussbauteils an der Aufnahme deutlich erhöht. Die Halbwelle weist wenigstens eine Bohrung, vorzugsweise eine Senkbohrung, auf, durch welche das als Spannschraube ausgebildete Spannmittel durchsteckbar ist. Das Stützelement weist wenigstens eine Gewindebohrung auf, in welche das Spannmittel einschraubbar ist. Somit wird zum Spannen des Gussbauteils an der Aufnahme die Halbwelle in die Lagergasse des Lagerstuhls eingelegt, die Spannschraube wird durch die Bohrung der Halbwelle durchgesteckt und schließlich in die Gewindebohrung des Stützelements eingeschraubt. Durch die Verschraubung wird die Halbwelle gegen den Lagerstuhl, mithin das Gussbauteil, gedrängt, wobei sie diesen wiederum gegen das Stützelement drängt, wobei dieses sicher und stabil an dem Stützelement festgespannt wird. Dabei ergibt sich insbesondere aufgrund der formschlüssigen Aufnahme der Halbwelle in der Lagergasse eine hochstabile Aufspannung.
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Die Aufnahme ist mit wenigstens einem Schlitten senkrecht zu der Drehachse der Spindel verlagerbar angeordnet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Spindel selbst nicht entsprechend senkrecht zu der Drehachse verlagerbar ist. Um metallische Einsätze entlang der gesamten Längserstreckung des Lagerstuhls vorsehen zu können, ist es nötig, eine Relativbewegung des Gussbauteils quer, insbesondere senkrecht zu der Drehachse der Vorrichtung bewirken zu können. Dies kann in sehr einfacher und zugleich stabiler sowie sicherer Weise mittels des Schlittens bewirkt werden. Die Aufnahme weist bevorzugt eine Halteplatte auf, auf welcher das Stützelement und das wenigstens eine Seitenhaltelement angeordnet sind wobei auf der Halteplatte bevorzugt auch das Grundauflageelement angeordnet ist. Die Halteplatte ihrerseits ist bevorzugt als Schlitten ausgebildet und auf einer Schlittenführung verlagerbar montiert. Dabei kann es sich um einen hydraulisch gespannten Schlitten handeln. Eine Schlittenposition ist vorzugsweise manuell verstellbar. Es ist aber auch möglich, dass die Schlittenposition automatisiert und insbesondere programmiert verstellbar ist. Die Spindel und/oder die Aufnahme sind axial entlang der Drehachse der Spindel verlagerbar sind.
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Die Spindel weist eine Aufspanneinrichtung zum axialen Spannen des Einsatzes auf. Mithilfe der Aufspanneinrichtung kann der Einsatz besonders sicher und stabil an der Spindel gehalten werden, indem er axial gegen die Spindel gespannt wird. Dabei weist die Spindel bevorzugt eine Schraubverbindung zur axialen Fixierung des Einsatzes auf. Die Schraubverbindung weist eine Durchgangsbohrung durch die Spindel sowie eine sich durch die Durchgangsbohrung in Richtung auf den Einsatz hin erstreckende Schraube auf, wobei der Einsatz ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, aufweist, in welches die Schraube eingeschraubt werden kann. Der Einsatz wird dann durch Einschrauben der Schraube in das Innengewinde an der Spindel festgelegt und axial fixiert. Diese Ausgestaltung wird besonders bevorzugt für Einsätze, welche bereits ein vorgefertigtes Gewinde aufweisen, wobei dieses Gewinde zum Spannen des Einsatzes verwendet wird. Solche Einsätze haben den Vorteil, dass es keines nachträglichen Ausbildens eines Gewindes an den Einsätzen nach dem Reibschweißen mehr bedarf. Hierdurch werden bei einer weiteren Bearbeitung des Lagerstuhls und/oder des Kurbelgehäuses Mischspäne aufgrund der Bearbeitung verschiedener Materialien vermieden, was die Ausgestaltung von Fertigungslinien zur Fertigung der Kurbelgehäuse deutlich vereinfacht.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Aufnahme eingerichtet ist zur Abstützung von Gussbauteilen, welche eine Größe und/oder Abmessungen eines Lagerstuhls eines Kurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aufweisen. Dies betrifft bevorzugt Gussbauteile von der Größe und/oder den Abmessungen eines Lagerstuhls für einen Motor eines Personenkraftwagens, oder Gussbauteile mit größeren Abmessungen, beispielsweise mit den Abmessungen eines Lagerstuhls für einen Lastkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug, oder Abmessungen eines Lagerstuhls für eine noch größere Brennkraftmaschine, beispielsweise zur stationären Energieerzeugung oder zum Antrieb eines Schiffs. Bei derart großen Gussbauteilen verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der Vorrichtung, weil auch diese sicher abgestützt und mit hoher Qualität mit einem metallischen Einsatz versehen werden können.
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Insbesondere wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Aufnahme eingerichtet ist zur Abstützung eines Lagerstuhls eines Kurbelgehäuses. Die Aufnahme ist dabei bevorzugt auf die Geometrie des abzustützenden Lagerstuhls abgestimmt und spezifisch zu dessen Halterung eingerichtet. Hierdurch ist die Vorrichtung auf die Einbringung metallischer Einsätze in Lagerstühle für ein Kurbelgehäuse optimiert, sodass sich in besonderer Weise die Vorteile der Vorrichtung verwirklichen. Dabei kann es sich um den Lagerstuhl eines Kurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs handeln, oder aber auch um Lagerstühle für noch größere Brennkraftmaschinen, beispielsweise zur stationären Energieerzeugung oder zum Antrieb eines Schiffs.
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Bevorzugt weist die Halbwelle eine Mehrzahl von Bohrungen auf, wobei auch das Stützelement eine Mehrzahl von Gewindebohrungen aufweist. Insbesondere weist die Halbwelle bevorzugt so viele Bohrungen auf, wie Zylinder in der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, für welche der Lagerstuhl vorgesehen ist. Das Stützelement weist bevorzugt wenigstens entsprechend viele Gewindebohrungen auf. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Halbwelle vorzugsweise zwei Bohrungen mehr auf, als Zylinder an der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, für welche der Lagerstuhl vorgesehen ist. Dabei ragt die Halbwelle in aufgespanntem Zustand vorzugsweise seitlich beidseitig über das Kurbelgehäuse beziehungsweise den Lagerstuhl hinaus, wobei an diesen seitlich überragenden Bereichen der Halbwelle jeweils eine zusätzliche Bohrung vorgesehen ist. Entsprechend sind in dem Stützelement bevorzugt mindestens so viele Gewindebohrungen vorgesehen, wie die Halbwelle Bohrungen aufweist. Durch die den Lagerstuhl seitlich überragende Halbwelle und die dort vorgesehenen Bohrungen kann eine auch seitlich besonders stabile Aufspannung des Lagerstuhls an der Aufnahme erzielt werden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Formschlusselement der Spindel eine Mehrkant-Ausnehmung, bevorzugt eine Sechskant-Ausnehmung aufweist. Besonders bevorzugt weist die Spindel einen Aufnahmedorn mit einer Mehrkant-, insbesondere Sechskantausnehmung zur formschlüssigen Aufnahme eines metallischen Einsatzes auf. Der metallische Einsatz hat in diesem Fall bevorzugt einen - im Querschnitt gesehen - mehreckigen, insbesondere hexagonalen Aufnahmevorsprung, der in der Mehrkantausnehmung des Aufnahmedorns oder der Spindel aufnehmbar ist. Auf diese Weise kann eine sehr stabile Führung - sowohl in Hinblick auf Axialkräfte als auch auf aufzubringende Drehmomente - des metallischen Einsatzes in der Spindel erreicht werden, sodass auch große Eintauchtiefen des rotierenden Einsatzes von mindestens 100 mm oder mehr in das Gussbauteil ermöglich werden. Somit ist es möglich, Reibschweißungen des Einsatzes auch tief im Innern eines Kurbelraums eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine durchzuführen. Der Mehrkantvorsprung des Einsatzes wird vorzugsweise nach dem Reibschweißen entfernt, wobei an dem restlichen, in dem Lagerstuhl verbleibenden Material des Einsatzes bevorzugt ein Gewinde geformt wird. Alternativ ist es aber auch möglich, dass an dem Mehrkantvorsprung ein Außengewinde ausgebildet wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Formschlusselement wenigstens einen Vorsprung aufweist, wobei es sich bevorzugt um einen sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erstreckenden Vorsprung handelt. Der Vorsprung ist dabei als Drehmomentübertragungsstruktur ausgestaltet, der in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung an dem Einsatz eingreift, um in den Einsatz ein Drehmoment einleiten zu können. Besonders bevorzugt ist der Vorsprung sternförmig oder balkenförmig ausgebildet. Bei einer sternförmigen Ausgestaltung ist es möglich, dass der Vorsprung drei sich in radialer Richtung erstreckende Arme aufweist, die bevorzugt im gleichen Winkelabstand zueinander - also mit dreizähliger Rotationssymmetrie - angeordnet sind. Ein balkenförmiger Vorsprung ist bevorzugt - in Draufsicht auf die Spindel oder einen Aufnahmedorn der Spindel, an welchem der Vorsprung angeordnet ist, so ausgestaltet, dass er ein zentrales, rundes Aufnahmeelement aufweist, von welchem ausgehend sich einander gegenüberliegend zwei radiale Arme erstrecken, die gemeinsam einen balkenförmigen Vorsprung ausbilden. Dar balkenförmige Vorsprung greift bevorzugt in eine als Schlitz ausgebildete Ausnehmung in einem metallischen Einsatz ein, wobei er auf diese Weise sicher und stabil ein Drehmoment übertragen kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Einbringen eines metallischen Einsatzes in ein Gussbauteil;
- 2 eine schematische Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung;
- 3 eine weitere schematische Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß 2;
- 4 eine Detaildarstellung eines mittels der Vorrichtung in ein Gussbauteil eingebrachten metallischen Einsatzes;
- 5a) und 5b) eine schematische Darstellung von zwei Ausführungsbeispielen einer Spindel einer Vorrichtung, und
- 6 eine schematische Darstellung einer Anwendung der Vorrichtung zum Einbringen eines metallischen Einsatzes in ein Gussbauteil.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Einbringen eines metallischen Einsatzes 3 in ein Gussbauteil 5. Dabei ist hier der metallische Einsatz 3 als Gewindeinsert ausgebildet, wobei das Gussbauteil 5 als Lagerstuhl 7 für ein Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Aufnahme 9 auf, die eingerichtet ist zur Halterung des Gussbauteils 5, sowie eine Spindel 11, die eingerichtet ist zur Halterung des metallischen Einsatzes 3. Es ist eine Dreheinrichtung 13 vorgesehen, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eingerichtet ist, um die Spindel 11 und damit zugleich den an der Spindel 11 gehaltenen metallischen Einsatz 3 um eine Drehachse in Rotation zu versetzen. Das Gussbauteil 5 wird dagegen bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Aufnahme 9 zumindest während des Einbringens des metallischen Einsatzes 3 drehfest gehalten.
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Die Aufnahme 9 ist eingerichtet zur Abstützung des Gussbauteils 5 in drei Achsen, hier konkret entlang einer Hochachse, entlang einer Querachse, und entlang der Drehachse der Spindel 11, wobei die Querachse senkrecht zu der Drehachse und der Hochachse orientiert ist. Hierzu weist die Aufnahme.9 ein Stützelement 15 auf, das hier als Stützwand 17 ausgebildet ist. Das Stützelement 15 dient der Abstützung des Gussbauteils 5 in Richtung der Drehachse der Spindel 11. Außerdem weist die Aufnahme 9 wenigstens ein Seitenhaltelement 19 auf, wobei das hier dargestellte Ausführungsbeispiel bevorzugt genau zwei Seitenhaltelemente 19 aufweist, von denen jedoch nur eines in 1 dem Betrachter zugewandt und daher dargestellt ist. Die Seitenhaltelemente 19 dienen der Abstützung des Gussbauteils 5 in Querrichtung, die auch als Seitenrichtung bezeichnet wird.
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Die Aufnahme 9 weist außerdem ein Spannelement 21 auf, welches formschlüssig mit dem Gussbauteil 5 verbindbar und mittels wenigstens einem Spannmittel 23 lösbar mit dem Stützelement 15 verbindbar ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spannelement 21 als Halbwelle 25 ausgebildet, die formschlüssig in einer Lagergasse 27 des Lagerstuhls 7 anordenbar ist. Dabei weist die Halbwelle 25 hier eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 29 auf, durch welche als Spannschrauben 31 ausgebildete Spannmittel 23 durchsteckbar sind. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier nur eine der Durchgangsbohrungen mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichnet, wobei nur eines der Spannmittels 23 beziehungsweise nur eine der Spannschrauben 31 mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ragt die Halbwelle 25 - in Querrichtung gesehen - beidseitig über den Lagerstuhl 7 hinaus, wobei innerhalb des Lagerstuhls 7 so viele Durchgangsbohrungen 29 und Spannschrauben 31 vorgesehen sind, wie die Brennkraftmaschine, für welche der Lagerstuhl 7 vorgesehen ist, Zylinder aufweist. An den überstehenden, seitlichen Enden der Halbwelle 25 ist jeweils noch eine Durchgangsbohrung 29 sowie eine Spannschraube 31 vorgesehen, sodass insgesamt zwei Durchgangsbohrungen 29 und zwei Spannschrauben 31 mehr vorgesehen sind, als die Brennkraftmaschine Zylinder aufweist. Dabei sind diese zusätzlichen Durchgangsbohrungen 29 und Spannschrauben 31 symmetrisch neben dem Lagerstuhl 7 angeordnet. Auf diese Weise wird eine besonders stabile Krafteinleitung und Spannung des Lagerstuhls 7 möglich.
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Das Stützelement 15, hier die Stützwand 17, weist wenigstens so viele Gewindebohrungen 33 auf, wie Durchgangsbohrungen 29 und Spannschrauben 31 an der Halbwelle 25 vorgesehen sind. Die Gewindebohrungen 33 sind so ausgebildet, dass die Spannschrauben 31 in sie einschraubbar sind. Die Durchgangsbohrungen 29 sind vorzugsweise als Senkbohrungen ausgebildet, sodass ein Kopf einer Spannschraube 31 in einer Senkung der Durchgangsbohrung 29 angeordnet werden kann.
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Durch Anordnen der Halbwelle 25 formschlüssig in der Lagergasse 27, Durchführen der Spannschrauben 31 durch die Durchgangsbohrungen 29 und Einschrauben der Spannschrauben 31 in die Gewindebohrungen 33, insbesondere durch Festziehen der Spannschrauben 31 in den Gewindebohrungen 33, kann der Lagerstuhl 7 an der Aufnahme 9 gespannt werden, wobei er insbesondere zwischen dem Spannelement 21, hier also der Halbwelle 25, und dem Stützelement 15, hier also der Stützwand 17, festgespannt wird. Auf diese Weise ist der Lagerstuhl 7 sehr sicher und stabil an der Aufnahme 9 gehalten. Er wird zusätzlich seitlich durch die Seitenhaltelemente 19 gestützt.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass die Aufspannung des Lagerstuhls 7 mittels der Halbwelle 25 und den Spannschrauben 31 ausreicht, um letztlich vermittelt über die durch die Spannkraft an einer Berührungsfläche zwischen dem Lagerstuhl 7 und der Stützwand 17 erzeugten Reibungskräfte eine ausreichende Abstützung auch in Hochrichtung zu bewirken.
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Zusätzlich ist jedoch bevorzugt wenigstens ein Grundauflageelement 35 vorgesehen, auf welchem sich das Gussbauteil 5, hier also der Lagerstuhl 7, in Hochrichtung gesehen abstützt. Das Grundauflageelement 25 ist bevorzugt als Tragelement und/oder als Tragboden ausgebildet. Es ist möglich, dass mehr als ein Grundauflageelement 35, beispielsweise zwei Grundauflageelemente 35 oder auch mehr als zwei Grundauflageelemente 35 vorgesehen sind, wobei diese dann bevorzugt in Querrichtung gesehen voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Die Aufnahme 9 ist hier mit einem Schlitten 37 in Querrichtung, insbesondere senkrecht zu der Drehachse der Spindel 11, verlagerbar angeordnet. Hierzu weist sie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Halteplatte 39 auf, auf welcher das Stützelement 15 und die Seitenhaltelemente 19, sowie hier auch das Grundauflageelement 35 angeordnet und gehalten sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stützelement 15 einstückig mit der Halteplatte 39 ausgebildet, diese Elemente können alternativ aber auch zweiteilig ausgebildet und bevorzugt fest miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschweißt, verlötet, verschraubt oder in anderer geeigneter Weise aneinander befestigt sein. Die Halteplatte 39 ist auf einer Schlittenführung 41 angeordnet und auf diese Weise relativ zu der Schlittenführung mitsamt dem Stützelement 15, den Seitenhaltelementen 19, dem Grundauflageelement 35 und schließlich auch dem Gussbauteil 5 relativ zu der Schlittenführung 41 - in Querrichtung der Vorrichtung 1 gesehen - verlagerbar. Vorzugsweise ist der Schlitten 37 als hydraulisch gespannter Schlitten ausgebildet. Eine Schlittenposition des Schlittens 37 ist bevorzugt manuell und/oder automatisiert verstellbar. Mithilfe des Schlittens 37 ist es jedenfalls möglich, das Gussbauteil 5 relativ zu der Spindel 11 in Querrichtung zu verlagern und somit an verschiedenen Stellen des Gussbauteils 5 metallische Einsätze 3 anzubringen.
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Die Aufnahme 9 ist vorzugsweise auch in Hochrichtung verlagerbar, sodass eine Position der metallischen Einsätze 3 relativ zu dem Gussbauteil 5 in zwei Dimensionen variierbar ist. Außerdem ist die Aufnahme 9 bevorzugt auch in axialer Richtung, also in Richtung der Drehachse der Spindel 11 verlagerbar, insbesondere um die beim Reibschweißen der metallischen Einsätze 3 nötigen Axialkräfte aufbringen zu können sowie das Gussbauteil 5 in Richtung auf die Spindel 11 zu und von dieser weg verlagern zu können. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Spindel 11 entsprechend axial verlagerbar ist.
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2 zeigt eine zweite Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu der als Bodenplatte dienenden Halteplatte 39 noch eine Deckplatte 43 vorgesehen, wobei die Halteplatte 39 und die Deckplatte 43 durch Seitenelemente 45 miteinander verbunden sind. Hier sind die Seitenelemente 45 insbesondere mit der Halteplatte 39 und der Deckplatte 43 verschraubt. Dem Betrachter ist ein Seitenelement 45 zugewandt, wobei ein anderes, gegenüberliegendes Seitenelement 45 dem Betrachter abgewandt und somit nur rudimentär erkennbar dargestellt ist. An den Seitenelementen 45 sind Halteeinrichtungen 47 vorgesehen, mittels denen die gesamte Aufnahme 9, beispielsweise durch einen Kran, greifbar und verlagerbar ist. Dabei ist die Halteplatte 39 vorzugsweise aus dem Schlitten 37 lösbar sowie in diesen einsetzbar, sodass ein Werkstückwechsel an der Vorrichtung 1 durchgeführt werden kann, indem die gesamte Aufnahme 9 - insbesondere mittels eines Krans - entnommen und durch eine neue Aufnahme 9 ersetzt werden kann. Das Aufspannen des Gussbauteils 5 kann dann in vorteilhafter Weise außerhalb eines Bearbeitungsbereichs der Vorrichtung 1 erfolgen.
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Es zeigt sich auch, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Seitenhaltelemente 19 vorgesehen sind, nämlich zwei - in Querrichtung gesehen - einander gegenüberliegende, untere Seitenhaltelemente 19, sowie entsprechend zwei einander gegenüberliegende, obere Seitenhaltelemente 19.
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In 2 sind außerdem zwei metallische Einsätze 3 dargestellt, nämlich ein in der Spindel 11 gehaltener metallischer Einsatz 3, sowie ein bereits an dem Gussbauteil 5 fixierter metallischer Einsatz 3.
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3 zeigt eine weitere Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 gemäß 2. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In 3 ist dargestellt, dass die Spindel 11 einen Aufnahmedorn 49 aufweist, welcher der Aufnahme und Halterung des metallischen Einsatzes 3 dient. Es zeigt sich weiterhin, dass die Spindel 11 ein Formschlusselement 51 aufweist, das eingerichtet ist zur drehmomentübertragenden Verbindung mit dem Einsatz 3.
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Dabei ist das Formschlusselement 51 hier als Sechskantausnehmung 53 ausgebildet. Die Sechskantausnehmung 53 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Aufnahmedorn 49 als axiale Ausnehmung angeordnet. Der metallische Einsatz 3 weist einen axialen, sechseckigen Vorsprung 55 auf, mit dem er in der Sechskantausnehmung 53 angeordnet ist. Auf diese Weise ist der metallische Einsatz 3 sehr sicher und stabil an der Spindel 11 anordenbar und durch diese haltbar, wobei aufgrund der hohen Stabilität auch eine große Eintauchtiefe des rotierenden Einsatzes 3 von bis zu 100 mm und mehr in das Gussbauteil 5 möglich ist. Somit kann die Schweißung des Einsatzes 3 tief im Inneren eines Kurbelraums des Zylinderkurbelgehäuses, hier insbesondere des Lagerstuhls 7, erfolgen.
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4 zeigt eine schematische Detaildarstellung eines in das Gussbauteil 5 eingeschweißten Einsatzes 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei zeigt sich, dass der Vorsprung 55 nach dem Reibschweißen des Einsatzes 3 aus der Spindel 11 entfernt wird und an dem metallischen Einsatz 3 verbleibt. Dieser steht somit mit dem Vorsprung 55 über den Lagerstuhl 7 vor. Es ist nun möglich, den Vorsprung 55 zu entfernen, um anschließend in das Material des Einsatzes 3 ein Innengewinde einzubringen. Alternativ ist es aber auch möglich, den Vorsprung 55 zu bearbeiten und an diesem ein Außengewinde auszubilden. In diesem Fall wird mithilfe des Einsatzes 3 ein Stehbolzen verwirklicht.
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5a) zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spindel 11 mit einem alternativen Formschlusselement 51. Dabei ist in einem oberen Teil von 5a) eine Längsschnittansicht einer Anordnung der Spindel 11 mit dem metallischen Einsatz 3 und dem hier nur schematisch dargestellten Gussbauteil 5 dargestellt. In der Mitte von 5a) ist eine Querschnittsansicht der Anordnung in einer im oberen Teil dargestellten Ebene E dargestellt. Der untere Teil von 5a) zeigt eine Explosionsansicht der Anordnung. Insbesondere anhand der Querschnittsansicht zeigt sich, dass das Formschlusselement 51 hier einen Vorsprung 57 aufweist, wobei der metallische Einsatz 3 eine komplementäre Ausnehmung 59 aufweist, in welche der Vorsprung 57 in montiertem Zustand des Einsatzes 3 an der Spindel 11 drehmomentübertragend eingreift. Dabei ist der Vorsprung 57 hier sternförmig ausgebildet, wobei er insbesondere drei in radialer Richtung ausgehend von einem Zentrum auskragende Arme 61, 61', 61" aufweist, die bevorzugt in gleichem Winkelabstand zueinander, also in der Querschnittsansicht insbesondere mit dreizähliger Symmetrie, angeordnet sind.
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Die Spindel 11 weist eine Aufspanneinrichtung 62 zum axialen Spannen des Einsatzes 3 mit einer Durchgangsbohrung 63 auf, durch welche sich eine Schraube 65 erstreckt. Der metallische Einsatz 3 weist ein Gewinde 67 auf, in welches die Schraube 65 einschraubbar ist. Durch Einschrauben der Schraube 65 in das Gewinde 67 wird der metallische Einsatz 3 gegen die Spindel gezogen, wobei der Vorsprung 57 formschlüssig in die Ausnehmung 59 eingreift, sodass der metallische Einsatz 3 insgesamt sicher und stabil, insbesondere mit hoher Stabilität und genauer Führung, an der Spindel 11 gehalten wird. Nach dem Reibschweißprozess kann die Schraube 65 aus dem Gewinde 67 gelöst werden, wobei dann auch der Vorsprung 57 aus der Ausnehmung 59 entnommen und die Spindel 11 von dem in dem Gussbauteil 5 eingeschweißten metallischen Einsatz 3 entfernt werden kann.
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5b) zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Spindel 11 und hier ganz konkret eines Aufnahmedorns 49 derselben. Die Darstellung entspricht im Übrigen der Darstellung gemäß 5a), wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt sich, dass auch hier das Formschlusselement 51 als allerdings balkenförmiger Vorsprung 57 ausgebildet ist, wobei ausgehend von einem zentralen, zylindrischen Bereich 69 sich zwei Arme 71, 71' in entgegengesetzter Richtung radial nach außen erstrecken, sodass insgesamt ein balkenförmiger Vorsprung 57 verwirklicht wird. Die derart ausgestaltete Geometrie des Formschlusselements 51 greift in eine entsprechend komplementär ausgebildete Ausnehmung 59 des metallischen Einsatzes 3 drehmomentübertragend ein. Auch hier weist die Spindel 11 beziehungsweise konkret der Aufnahmedorn 49 eine Aufspanneinrichtung 62 mit einer Durchgangsbohrung 63 auf, durch welche eine Schraube 65 geführt ist, die mit einem Gewinde in ein entsprechendes Innengewinde 67 des metallischen Einsatzes 3 eingreift, wodurch dieser an dem Aufnahmedorn 49 gespannt werden kann.
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Die Ausgestaltungen gemäß den 5a) und 5b) werden besonders bevorzugt zum Reibschweißen von metallischen Einsätzen 3, welche bereits ein vorgefertigtes Gewinde aufweisen, sodass es nach dem Reibschweißen des Einsatzes 3 in das Gussbauteil 5 keiner Nachbearbeitung des bereits zuvor gefertigten Gewindes mehr bedarf. Der metallische Einsatz 3 ist in diesem Fall also als vorgefertigter oder vorkonfektionierter Gewindeeinsatz ausgebildet. Dies ist insoweit vorteilhaft, als bei der weiteren Bearbeitung des Lagerstuhls 7 oder allgemein des Gussbauteils 5 keine Mischspäne entstehen, weil nur noch das Material des Lagerstuhls 7 beziehungsweise des Gussbauteils 5, nicht aber das Material des metallischen Einsatzes 3 bearbeitet werden muss. Hierdurch können Fertigungslinien einfacher und günstiger betrieben werden.
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6 zeigt in schematischer Darstellung die Vorgehensweise beim Einschweißen von metallischen Einsätzen 3 in ein Gussbauteil 5, hier konkret in einen Lagerstuhl 7 eines Kurbelgehäuses. In 6a) ist dargestellt, dass in den Lagerstuhl 7 zunächst eine bevorzugt konische Vorbohrung 71 eingebracht wird, die zu einer Reduktion der Kerbwirkung bevorzugt verrundet ausgebildet ist. Die konische Vorbohrung weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel von mindestens 6° bis höchstens 14° auf. Die Bohrungstiefe beträgt bevorzugt mindestens 25 bis höchstens 40 mm. Als Grundmaterial für den Lagerstuhl 7 kommt vorzugsweise Aluminiumdruckguss infrage, welcher Poren und Lunker aufweist. Als Material für den Einsatz 3 kommt vorzugsweise Stahl, insbesondere St52, infrage.
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Mittels der hier nicht dargestellten Spindel 11 wird der metallische Einsatz 3 in Rotation versetzt, wobei in 6b) dargestellt ist, dass der Lagerstuhl 7 und der metallische Einsatz 3 in axialer Richtung aufeinander zu verlagert werden, bis sie in Kontakt miteinander treten. Eine Drehzahl bei Kontakt beträgt vorzugsweise 3000 U/min. Ab dem ersten Kontakt des Einsatzes 3 mit dem Lagerstuhl 7 fällt die Drehzahl stark ab. Dabei ergibt sich ein hoher Wärmeeintrag durch die Relativrotation des Einsatzes 3 relativ zu dem Lagerstuhl 7. Der Lagerstuhl 7 und der metallische Einsatz 3 werden axial gegeneinander gepresst, wobei während der Rotations- oder Reibphase bevorzugt ein Reibdruck von mindestens 20 bar bis höchstens 30 bar aufgebaut wird.
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6c) zeigt schematisch, dass durch den hohen Energieeintrag innerhalb kurzer Zeit, wobei eine Reibzeit unter Relativdrehung des Einsatzes 3 zu dem Lagerstuhl 7 bevorzugt weniger als 0,3 s beträgt, in einer Prozesszone 73 eine Plastifizierung des Bauteilmaterials erfolgt, wobei ein breiiger Bereich des Materials um die Vorbohrung 71 in der Prozesszone 73 erzeugt wird. Nach Beendigung der Rotation des metallischen Einsatzes 3 wird ein Stauchdruck in axialer Einrichtung in die Bauteile eingeleitet, der vorzugsweise mindestens 40 bar bis höchstens 60 bar beträgt. Hierdurch entsteht am gesamten Umfang des Berührungsbereichs des Einsatzes 3 mit dem Lagerstuhl 7, insbesondere im Bereich der Prozesszone 73 eine feinkörnige Umformzone. Es ergibt sich außerdem ein Verdichtungseffekt dank der Nachdruckphase.
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6d) zeigt einen Endzustand nach der Anwendung des Stauchdrucks. Hierbei wird bevorzugt noch ein Pressdruck in die Bauteile eingeleitet, wobei diese mit mindestens 50 bar bis höchstens 60 bar axial gegeneinander gepresst werden. Dabei entsteht eine Schweißverbindung - insbesondere von Aluminium-Eisen mittels dünner intermetallischer Phasen. Es ergibt sich eine Porenreduktion im Verschraubungsbereich sowie eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch den hochbeanspruchbaren Eisenwerkstoff des metallischen Einsatzes 3.
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Insgesamt zeigt sich so, dass mithilfe der Vorrichtung 1 metallische Einsätze 3 auch in große Gussbauteile 5 wie beispielsweise einen Lagerstuhl 7 eines Kurbelgehäuses bei hoher Einbautiefe sicher und stabil eingebracht werden können.
