DE102015006349A1 - Method for producing a shaft-hub connection - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken (10, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials (18) als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken (10, 12) eine stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials (18) hergestellt wird. Um die Festigkeitswerte der Wellen-Naben-Verbindungen zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass an einem ersten Werkstück (12) eine rotationssymmetrische Außenfläche (22) und an dem zweiten Werkstück (10) eine rotationsymmetrische Innenfläche (24) ausgebildet wird, deren Durchmesser relativ zueinander derart gewählt sind, dass die Paarung eine Presspassung bildet, wobei die beiden Werkstücke (10, 12) vor dem Erhitzen des Materials (18) für die stoffschlüssige Verbindung axial verpresst werden.The method is used to produce a shaft-hub connection of workpieces (10, 12) of the same or different materials, wherein by means of a suitable material (18) as an intermediate layer between the two workpieces to be joined (10, 12) a cohesive connection by appropriate Heating this material (18) is produced. In order to increase the strength values of the shaft-hub connections, it is proposed that a rotationally symmetrical outer surface (22) is formed on a first workpiece (12) and a rotationally symmetrical inner surface (24) is formed on the second workpiece (10) whose diameter is relative to one another are selected such that the mating forms an interference fit, wherein the two workpieces (10, 12) are pressed axially before heating the material (18) for the cohesive connection.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken eine stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials hergestellt wird.The present invention is concerned with a method for producing a shaft-hub connection of workpieces of the same or different materials, wherein by means of a suitable material as an intermediate layer between the two workpieces to be joined a cohesive connection by appropriate heating of this material is produced.

Derartige Verbindungen werden dort eingesetzt, wo aufgrund der Bauteileigenschaften, beispielsweise bei sehr unterschiedlichen Werkstoffen, oder aufgrund der technischen Gegebenheiten, wie beispielsweise sehr enge räumliche Vorgaben, übliche Verfahren nicht angewendet werden können. Als Beispiel sei die Verbindung einer aus einem Stahl bestehenden Welle mit einem Turbinenrotor aus einem keramischen Werkstoff oder einer Titanlegierung genannt.Such compounds are used where, due to the component properties, for example in very different materials, or due to the technical conditions, such as very narrow spatial requirements, conventional methods can not be applied. As an example, the connection of a shaft consisting of a steel with a turbine rotor made of a ceramic material or a titanium alloy may be mentioned.

Bekannt ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 006 300 A1 , ein Zwischenteil einzulegen, das mit dem Bauteil aus Titanaluminid verlötet und mit dem Bauteil aus dem anderen Metall verschweißt wird. Bekannt sind auch Lösungen, bei denen ein Zwischenkörper eingesetzt wird, der jeweils durch Reibschweißen mit den beiden Körpern verbunden wird. Ein solches Verfahren ist aus der US 5 431 752 bekannt. Eine Lötverbindung zwischen einer an eine Welle angeformten Buchse und dem Turbinenrad wird in der US 2006/0021221 A1 bekannt. Schließlich beschreibt die DE 10 2012 002 572 A1 ein Verfahren, bei welchem ein Werkstück mit dem Material zuvor beschichtet wird, welches dann letztlich die stoffschlüssige Verbindung mit dem anderen Werkstück durch den Wärmeeintrag eingeht.It is known for example from the DE 10 2010 006 300 A1 to insert an intermediate part, which is soldered to the titanium aluminide component and welded to the component made of the other metal. Also known are solutions in which an intermediate body is used, which is connected in each case by friction welding with the two bodies. Such a method is from the US 5,431,752 known. A solder joint between a socket formed on a shaft and the turbine wheel is in the US 2006/0021221 A1 known. Finally, that describes DE 10 2012 002 572 A1 a method in which a workpiece is previously coated with the material, which then ultimately enters into the cohesive connection with the other workpiece by the heat input.

Es hat sich gezeigt, dass die durch derartige Verfahren herstellbaren Wellen-Naben-Verbindungen zwar sehr hohe Festigkeitswerte aufweisen, dennoch besteht ein Bedarf, die Festigkeit der derartigen Verbindungen weiter zu erhöhen, um weiter Gewicht und Bauraum einsparen zu können.Although it has been found that the shaft-hub connections that can be produced by such methods have very high strength values, there is nevertheless a need to further increase the strength of such connections in order to be able to further reduce weight and installation space.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem sich Wellen-Naben-Verbindungen mit höheren Festigkeitswerten erreichen lassen.The object of the invention is to propose a method with which shaft-hub connections with higher strength values can be achieved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an einem ersten Werkstück eine rotationssymetrische Außenfläche (innere Fläche) und an dem zweiten Werkstück eine rotationssymetrische Innenfläche (äußere Fläche) vorgesehen wird, wobei die Durchmesser der Außenfläche und der Innenfläche derart gewählt sind, dass die Paarung als eine Presspassung ausgeführt wird, und die beiden Werkstücke vor dem Erhitzen des Materials für die stoffschlüssige Verbindung axial aufeinander gepresst werden.According to the invention, the object is achieved by providing a rotationally symmetrical outer surface (inner surface) on a first workpiece and a rotationally symmetric inner surface (outer surface) on the second workpiece, wherein the diameters of the outer surface and the inner surface are selected such that the pairing a press fit is performed, and the two workpieces are axially pressed against each other before heating the material for the cohesive connection.

Es hat sich gezeigt, dass trotz des mechanisch aufwendigeren Aufbaus derartig hergestellte Wellen-Naben-Verbindung höhere Festigkeitswerte aufweist, so dass sich der konstruktive Spielraum bei der Materialwahl und der Festlegung der Dimension erweitern lässt. Vorzugsweise wird das Material zur stoffschlüssigen Verbindung der Werkstücke in einem Radialspalt axial zwischen den Werkstücken angeordnet, es kann aber auch in einem Umfangsspalt angeordnet werden. Bei der bevorzugten Anordnung in einem Axialspalt, wird das zwischenliegende Material im Rahmen des Einpressvorgangs der Presspassung gegen eine oder beide Stirnflächen der Werkstücke gepresst und anschließend durch geeigneten Wärmeeintrag erhitzt, um die stoffschlüssige Verbindung eingehen zu können.It has been found that, despite the mechanically more elaborate construction, shaft-hub connection produced in this way has higher strength values, so that the constructive freedom in selecting the material and determining the dimension can be expanded. Preferably, the material for cohesive connection of the workpieces in a radial gap is arranged axially between the workpieces, but it can also be arranged in a circumferential gap. In the preferred arrangement in an axial gap, the intermediate material is pressed in the context of the press-fitting operation of the press fit against one or both end faces of the workpieces and then heated by suitable heat input in order to be able to make the material connection.

Das Material für die stoffschlüssige Verbindung kann als Ringscheibe in einen Axialspalt zwischen den Werkstücken oder in der Form einer Buchse in einem Umfangsspalt zwischen den Werkstücken eingelegt werden. Wie bereits eingangs erwähnt, kann aber auch die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung gewählt werden, bei welcher das Material für die stoffschlüssige Verbindung bereits als Beschichtung an einer Fügefläche eines der beiden Werkstücke aufgebracht ist.The material for the cohesive connection can be inserted as an annular disc in an axial gap between the workpieces or in the form of a socket in a circumferential gap between the workpieces. As already mentioned, but also the known from the prior art solution can be selected, in which the material for the cohesive connection is already applied as a coating on a joining surface of one of the two workpieces.

Im Falle einer Beschichtung kann das Material für die stoffschlüssige Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronenstrahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Werkstück mit der inneren Passfläche (Außenfläche) an dem Werkstück mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn das hergestellte Bauteil später unter höheren Temperaturen arbeiten soll, während es umgekehrt bei sehr kühlen oder kalten Einsatzbedingungen zweckmäßig sein kann, das Werkstück mit der inneren Passfläche mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auszubilden.In the case of a coating, the material for the integral bond may be applied by thermal spraying, electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) techniques on at least one bonding surface. Preferably, the workpiece is formed with the inner mating surface (outer surface) on the workpiece with the higher coefficient of thermal expansion. This is particularly useful when the manufactured component is to work later at higher temperatures, while conversely it may be appropriate in very cool or cold conditions to form the workpiece with the inner mating surface with a lower coefficient of thermal expansion.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Werkstück, welches die äußere Fläche (Innenfläche) der Passung aufweist, vor dem Verpressen der beiden Werkstücke erwärmt wird. Alternativ oder ergänzend kann vor dem Verpressen der beiden Werkstücke das Werkstück, welches die innere Fläche (Außenfläche) der Passung trägt, vor dem Verspannen der Verbindung gekühlt werden.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the workpiece, which has the outer surface (inner surface) of the fit, is heated prior to the pressing of the two workpieces. Alternatively or additionally, before the pressing of the two workpieces, the workpiece, which carries the inner surface (outer surface) of the fit, can be cooled before the connection is clamped.

Der für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen notwendige Wärmeeintrag kann in üblicher Weise durch Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt werden. Das beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für Werkstücke aus unterschiedlichsten Werkstoffen, wie beispielsweise keramischen Materialien, Stahl, Titanlegierungen und sonstige Metalle, wobei als Material für die stoffschlüssige Verbindung üblicherweise ein Nickel-Basis-Lot ausgewählt wird. Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.The heat input necessary for the production of the cohesive connections can be found in Usually be provided by electron beams, laser beams, friction welding or induction heat. The method described is fundamentally suitable for workpieces made of a very wide variety of materials, such as, for example, ceramic materials, steel, titanium alloys and other metals, with a nickel-based solder usually being selected as the material for the cohesive connection. In the following, reference will be made to an embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings.

Die Abbildung zeigt als Beispiel einen Teil eines Turbinenrades 10 als erstes Werkstück, das mit einer Welle 12 als zweites Werkstück verbunden wird, wobei die beiden Teile 10, 12 jeweils über eine ringförmige Axialstirnfläche 14, 16 verfügen, an welcher die beiden Teile verbunden werden. Zur Vorbereitung des Fügeverfahrens wird in den Radialspalt zwischen den beiden Verbindungsflächen eine Ringscheibe aus dem Nickelbasislot 18 eingelegt, wobei das Material auch als Beschichtung an einem oder auch an beiden Verbindungsflächen 14, 16 zuvor aufgetragen werden kann. Zur Erhöhung der durch die Verbindung übertragbaren Drehmomentwerte ist die Welle 12 ferner mit einem hohlzylindrischen Vorsprung 20 versehen, dessen Außendurchmesser 22 als Presspassung in Bezug auf den Durchmesser einer Innenfläche 24 in einer hohlzylindrischen Bohrung des Turbinenrades 10 ausgeführt sind. Es hat sich gezeigt, dass sich die Festigkeitswerte durch diese Ausführung der Verbindung gegenüber einer rein stoffschlüssigen Verbindung erheblich steigern lassen, so dass insgesamt bei der Werkstoffwahl oder bei den Abmessungen der Wellen-Naben-Verbindung konstruktive Spielräume ermöglicht werden.The figure shows an example of a part of a turbine wheel 10 as the first workpiece, that with a shaft 12 is connected as a second workpiece, the two parts 10 . 12 in each case via an annular axial end face fourteen . 16 have at which the two parts are connected. In preparation for the joining process, an annular disk made of the nickel-based solder is inserted into the radial gap between the two connecting surfaces 18 inserted, wherein the material also as a coating on one or both of the connecting surfaces fourteen . 16 previously applied. To increase the torque transferable values through the connection is the shaft 12 further with a hollow cylindrical projection 20 provided, whose outer diameter 22 as a press fit with respect to the diameter of an inner surface 24 in a hollow cylindrical bore of the turbine wheel 10 are executed. It has been shown that the strength values can be significantly increased by this embodiment of the connection compared to a purely material-locking connection, so that overall design options are made possible in the choice of materials or in the dimensions of the shaft-hub connection.

Der Ablauf des Verfahrens sieht vor, dass zunächst das Turbinenrad 10 erwärmt und/oder die Welle 12 abgekühlt werden, und diese Teile anschließend in einer geeigneten Vorrichtung axial ineinander verpresst werden, so dass das Material 18 zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den axialen Stirnflächen 14, 16 eingepresst ist. Anschließend erfolgt der Wärmeeintrag in das Material 18, so dass die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, wobei während des Aufschmelzens die beiden Werkstücke 10, 12 ggf. um ein weiteres kurzes Wegstück relativ zueinander axial bewegt werden. Das Verfahren eignet sich für unterschiedlichstes Werkstoffpaarungen zwischen den beiden Werkstücken 10, 12.The sequence of the procedure provides that first the turbine wheel 10 heated and / or the shaft 12 are cooled, and then these parts are pressed axially into one another in a suitable device, so that the material 18 for producing the cohesive connection between the axial end faces fourteen . 16 is pressed. Subsequently, the heat is introduced into the material 18 , so that the cohesive connection is made, wherein during the melting of the two workpieces 10 . 12 possibly be moved axially about another short distance relative to each other. The method is suitable for a wide variety of material combinations between the two workpieces 10 . 12 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken (10, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials (18) als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken (10, 12) eine stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials (18) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Werkstück (12) eine rotationssymetrische Außenfläche (22) und an dem zweiten Werkstück (10) eine rotationssyemtrische Innenfläche (24) ausgebildet wird, deren Durchmesser relativ zueinander derart gewählt sind, dass die Paarung eine Presspassung bildet, wobei die beiden Werkstücke (10, 12) vor dem Erhitzen des Materials (18) für die stoffschlüssige Verbindung axial verpresst werden.Method for producing a shaft-hub connection of workpieces ( 10 . 12 ) of the same or different materials, using a suitable material ( 18 ) as an intermediate layer between the two workpieces to be joined ( 10 . 12 ) a cohesive connection by appropriate heating of this material ( 18 ), characterized in that on a first workpiece ( 12 ) a rotationally symmetrical outer surface ( 22 ) and on the second workpiece ( 10 ) a rotationally symmetrical inner surface ( 24 ) whose diameters are selected relative to each other such that the pairing forms a press fit, wherein the two workpieces ( 10 . 12 ) before heating the material ( 18 ) are pressed axially for the cohesive connection. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur stoffschlüssigen Verbindung der Werkstücke (10, 12) in einem Radialspalt zwischen axialen Verbindungsflächen (14, 16) oder einem Umfangsspalt eingeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the material for the cohesive connection of the workpieces ( 10 . 12 ) in a radial gap between axial connecting surfaces ( fourteen . 16 ) or a circumferential gap is introduced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) als Ringscheibe in den Radialspalt eingelegt wird.Method according to claim 2, characterized in that the material ( 18 ) is inserted as an annular disc in the radial gap. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) vor dem Verpressen der beiden Werkstücke (10, 12) auf wenigstens eine der beiden Verbindungsflächen (14, 16) für das Material als Beschichtung aufgebracht wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the material ( 18 ) before pressing the two workpieces ( 10 . 12 ) on at least one of the two connecting surfaces ( fourteen . 16 ) is applied as a coating for the material. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) zur stoffschlüssigen Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronenstrahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche (14, 16) aufgebracht wird.Method according to claim 4, characterized in that the material ( 18 ) for bonded connection by thermal spraying, electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) processes on at least one bonding surface ( fourteen . 16 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) für die stoffschlüssige Verbindung durch Auftragen einer Lotsuspension, die das Material für die stoffschlüssige Verbindung enthält, durch Siebdruck, Besprühen, Dispersion oder Roller-Coating auf wenigstens eine Verbindungsfläche (14, 16) aufgetragen wird.Method according to claim 4, characterized in that the material ( 18 ) for the cohesive connection by applying a Lotsuspension containing the material for the cohesive connection, by screen printing, spraying, dispersion or roller coating on at least one connecting surface ( fourteen . 16 ) is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Passfläche (Außenfläche 22) an dem Werkstück mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the inner mating surface (outer surface 22 ) is formed on the workpiece with the higher coefficient of thermal expansion. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10), welches die äußere Fläche (Innenfläche 24) der Presspassung bildet, vor dem Verpressen der beiden Passflächen erwärmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 10 ), which the outer surface (inner surface 24 ) forms the press fit, is heated prior to pressing the two mating surfaces. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12), welches die innere Fläche (Außenfläche 22) der Presspassung bildet, vor dem Verpressen der Passflächen gekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 12 ), which is the inner surface (outer surface 22 ) forms the press fit, is cooled before pressing the mating surfaces. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendige Wärmeeintrag durch Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the necessary for the production of the cohesive connection heat input by electron beams, laser beams, friction welding or induction heat is provided.
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