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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Autofrettage eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In der
DE 10 2009 057 176 A1 wird ein Verfahren zur Autofrettage einer Verteilerleiste für ein Einspritzsystem beschrieben. Die Verteilerleiste - auch als Common Rail bekannt - ist im Betrieb einem hohen pulsierenden Druck ausgesetzt, was zu hohen Anforderungen an die Dauerfestigkeit der Verteilerleiste führt. Mit dem Autofrettage-Verfahren kann die Dauerfestigkeit verbessert werden, indem beim Autofrettieren der Kanal, der durch die Verteilerleiste führt, unter einen hohen Druck gesetzt wird, der erheblich über dem Betriebsdruck während des Einsatzes der Verteilerleiste liegt. Durch den hohen Autofrettagedruck wird der innen liegende Teil der Verteilerleistenwandung bis in den plastischen Bereich verformt, wohingegen der äußere Teil der Verteilerleistenwandung nur eine elastische Verformung erfährt. Hierdurch treten Spannungen zwischen dem inneren und dem äußeren Teil auf, die zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit führen.
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Um sicherzustellen, dass dünnwandige Bereiche der Verteilerleiste durch den hohen Autofrettagedruck nicht geschädigt werden, wird gemäß der
DE 10 2009 057 176 A1 die Verteilerleiste an den gefährdeten Abschnitten mit einem Verstärkungselement versehen, das für den Autofrettagevorgang in den gefährdeten Bereichen angebracht wird. Bei dem Verstärkungselement handelt es sich beispielsweise um Spannringe, Spannbacken oder Spannformen. Nach dem Durchführen des Autofrettagevorgangs kann das Verstärkungselement wieder von der Verteilerleiste entfernt werden.
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Die
US 6 418 770 B1 offenbart einen Autofrettagevorgang eines rohrförmigen Stabilisierungsstabes, bei dem der innen liegende Hohlraum des Stabilisierungsstabes mit einem Fluiddruck beaufschlagt wird. Im Anschluss an den Autofrettagevorgang wird der Stabilisatorstab einem Kugelstrahlverfahren unterzogen, bei dem die Außenseite des Bauteils mit Kügelchen beaufschlagt wird, wodurch die Außenseite lokal plastisch verformt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacher Weise die Dauerfestigkeit eines Bauteils mittels Autofrettage zu erhöhen und zugleich sicherzustellen, dass gefährdete Abschnitte des Bauteils durch die Autofrettage nicht geschädigt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bauteil, insbesondere ein Metallbauteil, einem Autofrettageverfahren unterzogen, um die Zeit- und Dauerfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Das Bauteil ist mit einem Hohlraum versehen, der während des Autofrettagevorgangs mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird. Hierbei werden die innen liegenden, dem Hohlraum zugewandten Wandbereiche des Bauteils bis in den plastischen Bereich verformt, wohingegen die weiter außen liegenden, dem Hohlraum abgewandten Wandbereiche lediglich elastisch verformt werden. Nach Beendigung des Autofrettagevorgangs und dem Abbau des Autofrettagedrucks können sich die elastisch aufgedehnten Wandbereiche wieder zusammenziehen, womit sie die plastisch verformten, dem Hohlraum zugewandten Wandbereiche unter Druck setzen, wodurch in der Wandung Spannungen entstehen, die zu einer signifikanten Erhöhung der Zeit- und Dauerfestigkeit führen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest abschnittsweise auf der den Hohlraum abgewandten Seite des Bauteils ein hydraulischer Gegendruck aufgebracht, der dem Autofrettagedruck entgegengerichtet ist. Der Gegendruck sorgt für eine Abstützung des Bauteils auf der dem Hohlraum abgewandten Seite, so dass der Wandabschnitt des Bauteils, der auf der einen Seite im Hohlraum von dem Autofrettagedruck und auf der gegenüberliegenden Seite von dem Gegendruck beaufschlagt wird, nur einer reduzierten oder keiner Beanspruchung während des Autofrettagevorgangs ausgesetzt ist. Über die Höhe des Gegendrucks kann die Beanspruchung in dem entsprechenden Wandabschnitt gesteuert werden. Es ist möglich, eine Autofrettage in diesem Wandabschnitt zu verhindern oder auf die Gegebenheiten dieses Wandabschnittes anzupassen.
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Dies ermöglicht es, auch Bauteile mit gefährdeten Wandabschnitten einem Autofrettagevorgang zu unterziehen. Bei den gefährdeten Wandabschnitten handelt es sich insbesondere um dünnwandige Wandabschnitte, die an den Hohlraum in dem Bauteil, der mit dem Autofrettagedruck beaufschlagt wird, angrenzen. Bei dem gefährdeten Wandabschnitt kann es sich zusätzlich oder alternativ zur geringen Wandstärke auch um einen Abschnitt mit einer komplexen Querschnittsgeometrie handeln, die zu einer erhöhten Belastung im Falle eines hohen Drucks im Hohlraum führt, beispielsweise um Wandabschnitte mit Einkerbungen, in denen eine erhöhte Kerbwirkung entstehen kann.
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Der Gegendruck ist auf einen Wandabschnitt im Bauteil beschränkt, der aufgrund seiner Wandstärke, seiner Geometrie oder eines sonstigen Grundes einer erhöhten Gefährdung ausgesetzt ist. Die weiteren Wandabschnitte im Bauteil unterliegen keiner erhöhten Gefährdung und können ohne Einschränkung dem Autofrettagevorgang unterzogen werden. Vorteilhafterweise wird nur ein verhältnismäßig geringer Teil mit einem Gegendruck beaufschlagt, der insbesondere kleiner ist als der Abschnitt des Bauteils, in dem der Autofrettagevorgang durchgeführt wird.
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Der Gegendruck wird entweder auf die Außenseite des Bauteils aufgebracht und/oder in einem Kanal, der zusätzlich zu dem Hohlraum in das Bauteil eingebracht ist. Der Kanal dient beispielsweise zur Kabelführung, zum Beispiel zur Aufnahme elektrischer Kabel. Der Kanal kann entweder innerhalb des Bauteils mit dem Hohlraum strömungsverbunden sein oder, gemäß einer weiteren Ausführung, ohne Strömungsverbindung mit dem Hohlraum ausgeführt sein. Im erstgenannten Fall gelangt vorteilhafterweise das Fluid, mit dem der Autofrettagevorgang durchgeführt wird, unmittelbar von dem Hohlraum in den Kanal. Im letztgenannten Fall wird Fluid von außerhalb in den Kanal eingeleitet.
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Des Weiteren sind sowohl Ausführungen möglich, bei denen der Gegendruck gleich hoch ist wie der Autofrettagedruck, als auch Ausführungen mit einem geringeren Gegendruck als der Autofrettagedruck. Bei einem gleich hohen Gegendruck heben sich die Kräfte in der Wandung auf, so dass die Wandung weder elastisch noch plastisch gedehnt bzw. gestaucht wird.
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Ist jedoch der Gegendruck geringer als der Autofrettagedruck, kann die Wandung zumindest im elastischen Bereich, gegebenenfalls auch im plastischen Bereich verformt werden. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, den Gegendruck so zu steuern, dass in dem zwischenliegenden Wandabschnitt zwischen dem Hohlraum und dem Kanal ebenfalls ein Autofrettagevorgang durchgeführt wird, der jedoch trotz der potenziellen Gefährdung dieses Wandabschnittes aufgrund geringer Wandstärke, komplexer Geometrien oder Ähnlichem nicht zu einer Schädigung führt. Es ist somit möglich, unterschiedliche Abschnitte in dem Bauteil jeweils einem Autofrettagevorgang zu unterziehen, jedoch mit einem unterschiedlich hohen Autofrettagedruck. Gegebenenfalls ist es möglich, drei, vier oder mehr Wandabschnitte mit einem unterschiedlich hohen, resultierenden Autofrettagedruck zu beaufschlagen, indem auf die dem Hohlraum abgewandte Seite der Wandung ein unterschiedlich hoher Gegendruck aufgebracht wird.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird der Gegendruck so gewählt, dass eine plastische Verformung auf der dem Hohlraum zugewandten Seite vermieden wird und lediglich eine elastische Verformung in dem betreffenden Wandabschnitt - sowohl auf der dem Hohlraum zugewandten als auch auf der dem Hohlraum abgewandten Seite - erreicht wird. In diesem Fall wird in dem betreffenden Wandabschnitt kein Autofrettagevorgang durchgeführt.
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Der Autofrettagedruck und/oder der Gegendruck können in einer gesteuerten oder in einer geregelten Weise eingestellt werden. Vorteilhafterweise werden sowohl der Autofrettagedruck als auch der Gegendruck während des Autofrettagevorgangs kontinuierlich gemessen und zumindest ein Druck, vorteilhafterweise beide Drücke, auf einen Soll-Differenzdruck eingeregelt.
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Die Vorrichtung, mit der das Verfahren zur Autofrettage durchgeführt werden kann, umfasst eine Druckerzeugungseinheit, um den erforderlichen Autofrettagedruck erzeugen zu können, sowie eine Abdichtungseinheit, um den Hohlraum im Bauteil auf der Bauteilaußenseite zumindest abschnittsweise abdichten zu können.
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Der Gegendruck wird entweder von dem Autofrettagedruck gespeist oder unabhängig vom Autofrettagedruck erzeugt und auf die dem Hohlraum abgewandte Seite im Kanal oder die Bauteilaußenseite geleitet. Wird das hydraulische Fluid des Gegendrucks aus dem Fluid des Autofrettagedrucks abgezweigt, so ist der Gegendruck vorteilhafterweise gleich groß wie der Autofrettagedruck. Es ist aber auch möglich, über eine Druckuntersetzung auch in diesem Fall einen geringeren Gegendruck einzustellen. Bei separater Erzeugung des Gegendrucks kann dessen Höhe unabhängig vom Autofrettagedruck eingestellt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines Bauteils, das beispielsweise Bestandteil einer Verteilerleiste ist, mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Autofrettagevorgangs, wobei in das Bauteil ein zentraler Strömungsweg und parallel zu diesem ein Kanal eingebracht ist,
- 2 eine 1 entsprechende Darstellung mit einem Bauteil, das einem Autofrettagevorgang unterzogen wird, jedoch in einer Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Durchführung des Autofrettagevorgangs,
- 3 noch eine weitere Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Durchführung des Autofrettagevorgangs.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile und Baueinheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein aus Metall gefertigtes Bauteil 1, das zur Strömungsführung eines flüssigen Mediums unter hohem Druck eingesetzt wird und beispielsweise Bestandteil einer Verteilerleiste für Einspritzsysteme ist. Das Bauteil 1 weist einen zentralen Hohlraum 2 auf, der einen Strömungskanal für das Fluid bildet. Das aus Metall gefertigte Bauteil 1 soll einem Autofrettagevorgang unterzogen werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen. Der Autofrettagevorgang wird mithilfe einer Vorrichtung 3 durchgeführt, die eine Druckerzeugungseinheit zur Generierung eines hydraulischen Autofrettagedrucks umfasst sowie eine Abdichtungseinheit mit mehreren Abdichtungselementen 4, 5 und 6, über die Öffnungen des zentralen Hohlraums an der Außenseite des Bauteils 1 abgedichtet werden. In das Abdichtungselement 4 ist ein Zuführkanal 7 für die Zufuhr von Autofrettagefluid eingebracht, wobei der Zuführkanal 7 in den zentralen Hohlraum 2 im Bauteil 1 mündet.
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Der kanalartige Hohlraum 2 erstreckt sich über die gesamte Länge des Bauteils 1 und weist gegenüberliegende Öffnungen auf, wobei eine erste Öffnung von dem ersten Abdichtungselement 4 verschlossen ist und die zweite, gegenüberliegende Öffnung von dem weiteren Abdichtungselement 5, das beispielsweise topfförmig ausgebildet ist, strömungsdicht übergriffen ist. An der Außenseite des Bauteils 1 befindet sich ein umlaufendes, ringförmiges Stützelement 8, an dem die Stirnseite des topfförmigen Abdichtungselementes 5 strömungsdicht abgestützt ist. Die Bodeninnenseite des Abdichtungselementes 5 weist einen Abstand zur Stirnseite des Bauteiles 1 auf, so dass das hydraulische Autofrettagefluid über die stirnseitige Öffnung des zentralen Hohlraumes 2 austreten kann.
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In die Wandung des Bauteils 1 ist ein abschnittsweise parallel zu dem Hohlraum 2 verlaufender, achsparallel gerichteter Kanal 9 eingebracht, der zur Kabelführung dient. Der Kanal 9 endet ebenfalls an einer Stirnseite des Bauteils 1, das gegenüberliegende Ende des Kanals 9 verzweigt in radialer Richtung und mündet an der Außenseite des Bauteils 1. Das topfförmige Abdichtungselement 4 übergreift beide Enden des Kanals 9 und liegt auf Abstand zu diesen Enden des Kanals 9, so dass das Autofrettagefluid über beide Enden in den Kanal 9 eintreten kann.
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In das Bauteil 1 ist des Weiteren eine Verzweigungsleitung 10 eingebracht, die radial zwischen dem zentralen Hohlraum 2 und der Außenseite des Bauteils 1 verläuft. Die außen liegende Strömungsöffnung der Verzweigungsleitung 10 ist von dem Abdichtungselement 6 strömungsdicht verschlossen.
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Zur Durchführung des Autofrettagevorgangs wird über den Zuführkanal 7 im Abdichtungselement 4 Autofrettagefluid mit Autofrettagedruck in den Hohlraum 2 im Bauteil 1 eingeleitet. Das Autofrettagefluid breitet sich auch in dem Kanal 9 aus, so dass der Wandabschnitt 11 des Bauteils 1, der zwischen dem zentralen Hohlraum 2 und dem Kanal 9 liegt, auf der radial innen liegenden Seite von dem Autofrettagedruck im Hohlraum 2 und auf der radial außen liegenden Seite von dem Gegendruck im Kanal 9 beaufschlagt wird, der identisch ist mit dem Autofrettagedruck. Dieser Wandabschnitt 11 ist somit bei der Durchführung des Autofrettagevorgangs in Radialrichtung kräftefrei.
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Auch der Wandabschnitt 12, der zwischen dem Kanal 9 und der Außenseite des Bauteils 1 liegt, ist kräftefrei, da auch auf der Außenseite des Bauteils 1 in diesem Bereich der Autofrettagedruck anliegt.
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Somit ist gewährleistet, dass die Wandabschnitte 11 und 12 auf radial gegenüberliegenden Seiten des Kanals 9 trotz der geringeren Wandstärke im Vergleich zu den sonstigen Wandabschnitten des Bauteils 1 während des Autofrettagevorgangs mit dem hohen Autofrettagedruck keine Schädigung erfahren.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist das Bauteil 1 grundsätzlich den gleichen Aufbau wie in 1 auf. Die Vorrichtung 3 zur Durchführung des Autofrettagevorgangs ist jedoch teilweise mit unterschiedlich ausgeführten Abdichtungselementen versehen. Das erste Abdichtungselement 4 weist wie bei 1 einen zentralen Zuführkanal 7 auf, der in den Hohlraum 2 mündet und über den Autofrettagefluid in den Hohlraum 2 eingeleitet wird. Das gegenüberliegende, zweite Abdichtungselement 5 ist jedoch in 2 mit einer Wandung geringerer Höhe versehen, die unmittelbar an der Außenkante des Bauteiles 1 aufliegt und auf diese Weise die dem ersten Abdichtungselement 4 gegenüberliegende Öffnung im Hohlraum 2 sowie das Ende des Kanals 9 übergreift und strömungsdicht abschließt. Die Bodeninnenseite des Abdichtungselementes 5 liegt auf Abstand zu der Stirnseite des Bauteils 1, wodurch ein strömungsdichter Raum zur Aufnahme von Autofrettagefluid gebildet ist, über den das Autofrettagefluid vom Hohlraum 2 in den Kanal 9 überströmen kann. Das zweite Ende des Kanals 9 ist von einem weiteren Abdichtungselement 13, das separat von dem Abdichtungselement 5 ausgebildet ist, strömungsdicht verschlossen. Der Wandabschnitt 11, der zwischen dem zentralen Hohlraum 2 und dem Kanal 9 liegt, ist kräftefrei, da der Autofrettagedruck im Hohlraum 2 und der Gegendruck im Kanal 9 gleich hoch sind. Dagegen wird der radial weiter außen liegende Wandabschnitt 12 zwischen dem Kanal 9 und der Außenseite des Bauteils 1 einem Autofrettagevorgang unterzogen, da auf der Außenseite des Bauteils 1 nur Atmosphärendruck herrscht.
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Eine weitere Ausführungsvariante ist in 3 dargestellt, bei der sich der Gegendruck in dem Kanal 9 von dem Autofrettagedruck in dem zentralen Hohlraum 2 unterscheiden kann. Das dem ersten Abdichtungselement 4, über das Autofrettagefluid in den Hohlraum 2 geleitet wird, gegenüberliegende Abdichtungselement 5 übergreift die dem ersten Abdichtungselement 4 gegenüberliegende Stirnseite des Bauteils 1 und bildet einen Aufnahmeraum 15 zwischen der Außenseite des Bauteils 1 und der Innenseite des topfförmigen Abdichtungselementes, der strömungsdicht sowohl nach außen gegenüber der Atmosphäre als auch gegenüber dem Autofrettagedruck im Hohlraum 2 abgeschlossen ist. In eine Seitenwand des Abdichtungselementes 5 ist ein weiterer Zuführkanal 14 eingebracht, über die unabhängig von dem Autofrettagefluid ein Gegendruck aufgebaut werden kann. Über den Zuführkanal 14 wird ein weiteres hydraulisches Medium in den Aufnahmeraum 15 unter einem Gegendruck eingeleitet, wobei sich das Fluid in den Kanal 9 ausbreitet. Der Gegendruck kann gegebenenfalls geringer sein als der Autofrettagedruck, um trotz der geringeren Wandstärken in den Wandabschnitten 11 und 12 einen Autofrettagevorgang durchzuführen, ohne die dünneren Wandungen 11 und 12 zu beschädigen. Es kommt aber auch eine Gegendruck in Betracht, der gleich groß ist wie der Autofrettagedruck im Hohlraum 2.
