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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einem ersten metallischen Bauteil, das mit einem Verbindungszapfen ausgebildet ist, und einem zweiten metallischen Bauteil, das mit einer Verbindungsbuchse ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Dämpferbaugruppe, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
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Fügeverbindungen zwischen einer Buchse und einem darin aufgenommenen Zapfen können bspw. pressgefügt und/oder verschweißt sein, um Längskräfte, Querkräfte und Drehmomente übertragen zu können. Beim Pressfügen treten hohe Spannungen (Hauptnormalspannungen) und beim Schmelzschweißen hohe Temperaturen auf. Beides ist nachteilig, insbesondere dann, wenn das innere, den Zapfen aufweisende Bauteil eine in die Fügezone hineinreichende Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht, wie bspw. eine Verchromung, aufweist. Diese kann zerstört werden, was die Verbindungsqualität herabsetzt und zu Verschleiß- und/oder Korrosionsproblemen führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsmethode anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Dämpferbaugruppe, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte auf:
- – Vorfügen der Bauteile durch Einführen des Verbindungszapfens in die Verbindungsbuchse, wobei die Verbindungsbuchse durchmessergrößer als der Verbindungszapfen ausgebildet ist, so dass zwischen dem Verbindungszapfen und der Verbindungsbuchse ein radialer Spalt vorhanden ist bzw. sich ein radialer Spalt ausbildet;
- – Fügen der Bauteile durch elektromagnetisches Umformen der Verbindungsbuche mithilfe einer um die Fügezone herum angeordneten bzw. die Fügezone umschließenden Spule, wobei ein, insbesondere hoher, magnetischer Druck erzeugt wird, der das metallische Material der Verbindungsbuche radial nach innen beschleunigt, wo dieses dann mit hoher kinetischer Energie auf den metallischen Verbindungszapfen auftrifft und dabei eine Kaltverschweißung entsteht bzw. erzeugt wird.
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Ein Verbindungszapfen ist ein mit Außenumfangsfläche ausgebildeter Abschnitt des ersten Bauteils, der dazu dient, dieses mit dem zweiten Bauteil zu verbinden. Eine Verbindungsbuchse ist ein mit Innenumfangsfläche ausgebildeter Abschnitt des zweiten Bauteils, in dem der Verbindungszapfen des ersten Bauteils aufgenommen werden kann.
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Der Verbindungszapfen des ersten Bauteils ist vorzugsweise massiv, d. h. aus Vollmaterial ausgebildet. Der Verbindungszapfen des ersten Bauteils und die Verbindungsbuchse des zweiten Bauteils weisen bevorzugt zylindrische Konturen auf, d. h. der Verbindungszapfen ist vorzugsweise vollzylindrisch und die Verbindungsbuchse hohlzylindrisch ausgebildet. Prinzipiell sind auch andere Konturen möglich (bspw. dreieckige, ovale oder rechteckige Querschnitte). Der Verbindungszapfen und die Verbindungsbuchse sind so ausgebildet, dass sich nach dem Vorfügen (im unverformten Zustand) zwischen der Außenmantelfläche des Verbindungszapfens und der Innenmantelfläche der Verbindungsbuchse ein radialer Spalt (quer zur Längsrichtung) ergibt bzw. einstellt.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Fügen der Bauteile mithilfe einer elektrischen Spule, wobei es sich insbesondere um eine ein- oder mehrteilige elektrische Zylinderspule handelt, die um die Fügezone der vorgefügten Bauteile herum angeordnet und sodann bestromt wird, wodurch eine magnetische Druckkraft erzeugt wird, die das Metallmaterial der Verbindungsbuche radial nach innen drückt und dabei plastisch verformt. Der mit der Spule erzeugte magnetischer Druck ist so hoch, dass das Metallmaterial der Verbindungsbuche radial einwärts stark beschleunigt wird, wo dieses dann schließlich mit hoher Geschwindigkeit und Druckkraft auf den vorzugsweise massiv ausgebildeten Verbindungszapfen aufprallt, was auch als Ansprengen bezeichnet werden kann. Beim Aufprall nähern sich die Atomstrukturen soweit an, dass sich diese im Grenzflächenbereich miteinander verbinden und ohne Aufzuschmelzen eine sogenannte Kaltverschweißung bzw. Kaltpressverschweißung entsteht.
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Optimale Verfahrens- bzw. Prozessparameter können durch Versuche ermittelt werden und sind auch Gegenstand bevorzugter Weiterbildungen und Ausgestaltungen.
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Das Metallmaterial des zweiten Bauteils sollte zumindest im Bereich der Verbindungsbuche bzw. im Umformbereich ausreichend duktil sein, um bei Raumtemperatur ohne Rissbildung verformt werden zu können. Um die Duktilität und damit die Umformbarkeit zu steigern, kann das zweite Bauteil zumindest im Bereich der Verbindungsbuchse vorher erwärmt werden, ohne dabei das Metallmaterial auf- oder anzuschmelzen. D. h., die Solidustemperatur bzw. Liquidustemperatur sollte bei einem solchen Vorerwärmen nicht überschritten werden. Das Vorwärmen kann bspw. im Ofen, induktiv (z. B. mittels Induktionsspule) oder mittels Gasbrenner erfolgen. Ist das zweite Bauteil bspw. aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung (auch Aluminiumgusslegierung) gebildet, kann eine (effektive) Erwärmung auf bis zu 400° C, vorzugsweise auf bis zu 375° C und insbesondere auf bis zu 350° C vorgesehen sein, wobei unter Berücksichtigung von Abkühlungseffekten zunächst auf eine höherer Temperatur (bspw. bis zu 500° C) erwärmt werden kann.
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Die stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen den beiden Bauteilen wird demnach ohne Schweißwärme erzeugt und weist dennoch eine sehr hohe Festigkeit bzw. Belastbarkeit auf. Außerdem kann die Fügeverbindung kostengünstig und mit kurzer Taktzeit hergestellt werden. Das Fügen ist ohne Schweißzusatzstoffe und/oder Schutzgase möglich. Auch unterschiedliche Metallmaterialien (bspw. Stahl und Aluminium, Stahl und Kupfer oder Kupfer und Aluminium) können gefügt werden. Das Verfahren ist weitgehend fehlerfrei, selbiges gilt für die damit hergestellten Fügeverbindungen. Das Kaltverschweißen funktioniert prinzipiell auch bei passiven Oberflächenschichten (Oxidschichten).
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Das erste Bauteil weist bevorzugt eine Beschichtung oder Randschicht auf, wobei es sich insbesondere um eine Verchromung oder nitrierte Schicht handelt, die auch den Verbindungszapfen mit einschließt. Gerade hierfür erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber allen anderen bislang bekannten Fügeverfahren als äußerst vorteilhaft, da die in der Regel spröde Schicht nicht zerstört wird. D. h., die Zerstörung der Schicht wird verhindert und die Schicht bleibt unbeschädigt, selbst dann, wenn das darunter liegende Grundmaterial (d. h. das Metallmaterial des ersten Bauteils) deutlich weicher ist. Ein sogenannter Eierschaleneffekt tritt nicht auf.
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Das erste Bauteil ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere mit einer Chrombeschichtung (s. o.) gebildet. Das zweite Bauteil ist vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei beiden Bauteilen um einstückige Bauteile, die vorausgehend urformend, umformend und/oder trennend gefertigt wurden.
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Das Spaltmaß des radialen Spalts zwischen dem Verbindungszapfen und der Verbindungsbuchse liegt bevorzugt im Bereich einiger Millimeter und beträgt bspw. 1 mm bis 3 mm, womit insbesondere ein umlaufend homogenes Spaltmaß gemeint ist. Durch ein definiertes Spaltmaß im Bereich einiger Millimeter wird gewährleistet, dass einerseits in radialer Richtung für das Metallmaterial der Verbindungsbuchse ein ausreichender Beschleunigungsweg zur Verfügung steht, ohne dass andererseits zu hohe Formänderungsgrade auftreten.
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Zur Erzeugung eines hohen magnetischen Drucks kann die Spule mit einem einzelnen, insbesondere kurzen und starken (s. u.), Stromimpuls bestromt werden, wobei während dieser Bestromung bzw. Bestromungsphase sowohl die elektromagnetische Umformung als auch die Kaltverschweißung erfolgt.
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Zur Erzeugung eines hohen magnetischen Drucks kann die Spule auch mit einer hohen Stromstärke im Kiloamperebereich bestromt werden. D. h. die Stromstärke des die Spule durchfließenden Stroms beträgt wenigstens 1 kA. Die Spannung liegt bevorzugt im zweistelligen Kilovoltbereich. Die elektrische Energieversorgung kann bspw. über Kondensatoren bewerkstelligt werden. Zur Erzeugung eines hohen magnetischen Drucks kann ferner auch ein sogenannter Feldformer eingesetzt werden.
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Die Wandung der Verbindungsbuchse am zweiten Bauteil kann mit einer Übergangsgeometrie ausgebildet sein, die beim elektromagnetischen Umformen als Scharnier bzw. Gelenk fungiert, um Materialermüdung, Materialrisse, Kerben und dergleichen zu verhindern. Die Übergangsgeometrie ist insbesondere als harmonischer (nicht abrupter) Übergang zwischen zwei axialen Abschnitte mit unterschiedlicher Wanddicke ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Dämpferbaugruppe umfasst eine metallische Kolbenstange und ein am freien Ende der Kolbenstange befestigtes metallisches Endstück. Die Kolbenstange ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere mit einer Chrombeschichtung, gebildet und das Endstück ist insbesondere aus Aluminium gebildet. Das Endstück und die Kolbenstange sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt. Hierzu ist die Kolbenstange mit einem Verbindungszapfen und das Endstück mit einer den Verbindungszapfen aufnehmenden Verbindungsbuchse ausgebildet, an denen die beiden Bauteile durch radiale elektromagnetische Umformung der Verbindungsbuchse unter Ausbildung einer Kaltverschweißung gefügt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt in eine Seitenansicht eine Dämpferbaugruppe.
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2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht den in 1 gekennzeichneten Verbindungsbereich (A) zwischen Kolbenstange und Endstück und veranschaulicht den Fügevorgang mit einer Spule.
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3 zeigt in einem schematischen Diagramm ein mögliches Bestromungsmuster für die beim Fügevorgang nach 2 verwendete Spule.
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4 zeigt in Schnittansichten weitere Ausführungsmöglichkeiten von Endstücken.
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5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine andere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung bei einer Getriebebaugruppe.
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1 zeigt eine Dämpferbaugruppe 100, mit einem Dämpfergehäuse 110 und einer Kolbenstange 120, an deren freien Ende ein Endstück 130 (sogenanntes Auge) befestigt ist. Die Kolbenstange 120 ist aus chrombeschichtetem Stahl und das Endstück 130 aus Aluminium gebildet. Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Fügevorgang zur dauerhaft haltbaren Befestigung des Endstücks 130 an der Kolbenstange 120 erläutert.
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Die Kolbenstange 120 (erstes Bauteil) weist an ihrem freien Ende einen zylindrischen Verbindungszapfen 125 auf, der durchmesserreduziert ausgebildet sein kann. Das Endstück 130 (zweites Bauteil) ist mit einer hohlzylindrischen Verbindungsbuchse 135 ausgebildet. Der Innendurchmesser der Verbindungsbuchse 135 ist größer als der Außendurchmesser des Verbindungszapfens 125, so dass sich zwischen dem eingesteckten Verbindungszapfen 125 und der Verbindungsbuchse 135 ein radialer Spalt S ausbildet, wie in der oberen Bildhälfte gezeigt. Ein Führungs- bzw. Zentrierabschnitt 137 am inneren axialen Ende der Verbindungsbuchse 135 gewährleistet ein umlaufend homogenes Spaltmaß.
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Die durch Einstecken bzw. Aufstülpen vorgefügten Bauteile 120 und 130 werden durch elektromagnetisches plastisches Umformen der Verbindungsbuche 135 mithilfe einer um die Fügezone herum angeordneten Spule 300 mit ringförmigem Feldformer 310 gefügt. Die gesamte Anordnung ist rotationssymmetrisch. Hierbei wird ein hoher magnetischer Druck M erzeugt, der die metallische Wandung 136 der Verbindungsbuchse 135 radial nach innen beschleunigt, wie in der oberen Bildhälfte durch die Pfeile veranschaulicht. Der Feldformer 310 konzentriert die magnetischen Feldlinien auf die Fügezone (und kann ferner als Austauschteil der Konturanpassung dienen). Das durch den magnetischen Druck M beschleunigte metallische Material der Verbindungsbuchse 135 trifft mit hoher kinetischer Energie auf den verchromten massiven Verbindungszapfen 125 auf, wobei ohne Beschädigung der Chromschicht 121 eine haltbare, homogen stoffschlüssige Kaltverschweißung V zwischen den beiden Bauteilen 120 und 130 entsteht, wie in der unteren Bildhälfte dargestellt. Es handelt sich um eine Aluminium-Stahl-Mischverbindung unter Einschluss einer Chromschicht 121. Gleichzeitig kann die Verbindungsfestigkeit der Chromschicht 121 mit dem Grundmaterial (Stahl) verbessert werden.
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Zur Erzeugung eines hohen magnetischen Drucks M wird die Spule 300 mit einem einzelnen, starken und kurzen Stromimpuls bzw. Stromstoß i(t) bestromt, wie in 3 schematisch dargestellt. Die Bestromung erfolgt mit einer Sinushalbwelle. Während dieser kurzen Bestromungsphase (im Mikrosekundenbereich) erfolgt die vollständige elektromagnetische Umformung und Kaltverschweißung, wie in 3 durch die Zeitspanne > Fügen < veranschaulicht. Dies bedeutet, dass die Spule 300 während der gesamten eigentlichen Fügephase bestromt ist. (Die Bestromung kann mit einer stark bedämpften Schwingung erfolgen, wobei weitere, deutlich schwächere Sinushalbwellen auftreten können, die für den Fügevorgang ohne Belang sind.)
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Die Kaltverschweißung V kann mit beträchtlicher axialer Länge ausgebildet werden, d. h es ist eine axial lange Schweißverbindungen herstellbar, was gegenüber anderen gängigen Schweißverfahren einen erheblichen Vorteil darstellt. Außerdem wird keine Schweißwärme eingebracht. Auch eine bei anderen Fügeverfahren häufig zu beobachtende und z. T. explizit gewünschte Wellenbildung an den Fügeflächen (als Folge übermäßiger Druck- bzw. Hauptnormalspannungen) tritt nicht auf und ist auch nicht notwendig. Die mechanischen Belastungen der Bauteile 120 und 130 bleiben auf den Verbindungsbereich A (siehe 1) begrenzt, so dass der Fügeprozess ohne Weiteres erst in einem späten Fertigungsstadium der Dämpferbaugruppe 100 vorgenommen werden kann.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verbindungszapfen 125 der Kolbenstange 120 mit einer glatten Oberfläche ausgebildet. Alternativ kann der Verbindungszapfen 125 auch mit Formschlusselementen, wie bspw. Wülsten, Nuten, Riffelungen, Verzahnungen und dergleichen ausgebildet sein.
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Die Verbindungsbuchse 135 des Endstücks 130 weist eine Wanddicke von mehreren Millimetern auf (bspw. 2 mm bis 4 mm) und ist mit einer Übergangsgeometrie 138 ausgebildet, die beim elektromagnetischen Umformen der Wandung 136 als Scharnier zwischen verformten und nicht-verformten Abschnitten fungiert. Dies ergibt sich anschaulich aus der Gegenüberstellung von oberer und unterer Bildhälfte. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Übergangsgeometrie 138 (im unverformten Zustand und bei konstantem Außendurchmesser) einen innenwandigen Konus auf. 4 zeigt weitere mögliche Ausgestaltungen der Übergangsgeometrie 138 (gezeigt ist jeweils der unverformte Zustand). Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Übergangsgeometrie 138 einen innenwandigen Konus mit Verrundung (R1) auf. Bei dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Übergangsgeometrie 138 nur eine innenwandige Verrundung (R2 > R1) auf. Eine optimale Übergangsgeometrie 138 kann durch Simulation und/oder Versuche ermittelt werden.
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5 zeigt eine Getriebebaugruppe 200, mit einem Aluminiumtopf 230 (zweites Bauteil) und einem Stahlring 220 (erstes Bauteil). Der Aluminiumtopf 230 kann ein Gussteil sein. Der Stahlring 220 weist eine Nitrierschicht oder Einsatzhärtung auf. Der Stahlring 220 wird mit dem Abschnitt 225 (Verbindungszapfen) in die Verbindungsbuchse 235 des Aluminiumtopfs 230 eingesteckt, wie mit dem Pfeil veranschaulicht. Anschließend werden die Bauteile 220 und 230 analog zu der in 2 gezeigten Vorgehensweise dauerhaft gefügt. Der Stahlring 220 kann dabei mit einem Innenwerkzeug abgestützt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Dämpferbaugruppe
- 110
- Dämpfergehäuse
- 120
- Kolbenstange (erstes Bauteil)
- 121
- Chrombeschichtung
- 125
- Verbindungszapfen
- 130
- Endstück (zweites Bauteil)
- 135
- Verbindungsbuchse
- 136
- Wandung
- 137
- Führungsabschnitt
- 138
- Übergangsgeometrie
- 200
- Getriebebaugruppe
- 220
- Ring (erstes Bauteil)
- 225
- Verbindungszapfen
- 222
- Außenverzahnung
- 230
- Topf (zweites Bauteil)
- 232
- Innenverzahnung
- 235
- Verbindungsbuchse
- 300
- Feldumformer
- 310
- Innenteil
- A
- Verbindungsbereich
- M
- magnetische Druckkraft
- R1
- Verrundungsradius
- R2
- Verrundungsradius
- S
- radialer Spalt
- V
- Kaltverschweißung
- i
- Strom
- l
- Längsrichtung (axiale Richtung)
- r
- radiale Richtung
- t
- Zeit
- kA
- Kiloampere
- µsec
- Mikrosekunden
