DE102017008493A1 - Hollow shaft for a rotor of an electric motor and method for producing a hollow shaft for a rotor of an electric motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle (1) für einen Rotor eines Elektromotors, mit zumindest einem ersten Bauteil (3) und einem zweiten Bauteil (5), wobei das erste Bauteil (3) und das zweite Bauteil (5) fest miteinander verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass das erste Bauteil (3) und das zweite Bauteil (5) mittels eines Strahlschweißverfahrens miteinander verschweißt sind.The invention relates to a hollow shaft (1) for a rotor of an electric motor, comprising at least a first component (3) and a second component (5), wherein the first component (3) and the second component (5) are firmly connected to each other. It is provided that the first component (3) and the second component (5) are welded together by means of a beam welding process.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle für einen Rotor eines Elektromotors und ein Verfahren zum Herstellen einer Hohlwelle für einen Rotor eines Elektromotors.The invention relates to a hollow shaft for a rotor of an electric motor and a method for producing a hollow shaft for a rotor of an electric motor.
Typischerweise werden hochbelastete und schnelldrehende Wellen als Hohlwellen ausgestaltet, um deren Gewicht und damit die beschleunigte Masse zu reduzieren. In Aggregaten, insbesondere in Elektromotoren und Getrieben, kann eine Hohlwelle zudem zum Durchleiten eines Fluids, beispielsweise zu deren Kühlung, vorgesehen sein. Dabei ist eine ausreichende Steifigkeit der Hohlwelle erforderlich, um insbesondere Durchbiegungen und Aufweitungen zu verhindern. Üblicherweise wird dies durch aufwändig konstruierte Hohlwellen und/oder komplexe Prozessketten zu deren Herstellung sichergestellt. Beispielsweise werden Hohlwellen dann aus hochwertigen und somit sehr teuren Werkstoffen, beispielsweise 42CrMo4, einstückig mit großem Verschnitt hergestellt und aufwändig hohlgebohrt. Derartige Werkstoffe sind in der Regel nicht mehr konventionell schmelzschweißbar und werden insbesondere reibgeschweißt. Hierfür sind aufwändige Vorrichtungen erforderlich. Die Qualität einer solchen Schweißverbindung ist allerdings häufig nicht ausreichend. Zudem bedarf es einer aufwändigen Nachbearbeitung eines Fügebereichs der Hohlwelle, insbesondere einer Entfernung einer Reibschweißwulst. Insgesamt ergeben sich hohe Kosten zur Herstellung bekannter Hohlwellen der angesprochenen Art.Typically, high-load and high-speed shafts are designed as hollow shafts to reduce their weight and thus the accelerated mass. In units, in particular in electric motors and transmissions, a hollow shaft may also be provided for passing a fluid, for example for cooling thereof. In this case, a sufficient rigidity of the hollow shaft is required to prevent in particular deflections and widening. This is usually ensured by elaborately designed hollow shafts and / or complex process chains for their production. For example, hollow shafts are then made of high-quality and therefore very expensive materials, for example 42CrMo4, in one piece with a large waste and elaborately hollow drilled. Such materials are usually no longer conventionally melt-weldable and are in particular friction-welded. For this purpose, expensive devices are required. However, the quality of such a welded joint is often insufficient. In addition, a complex post-processing of a joining region of the hollow shaft, in particular a removal of a Reibschweißwulst required. Overall, there are high costs for producing known hollow shafts of the type mentioned.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hohlwelle für einen Rotor eines hochdrehenden Elektromotors und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.The invention has for its object to provide a hollow shaft for a rotor of a high-speed electric motor and a method for their preparation, said disadvantages do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Hohlwelle für einen Rotor eines hochdrehenden Elektromotors geschaffen wird, welche zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufweist, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil fest zu der Hohlwelle miteinander verbunden sind. Unter hochdrehend sollen Rotationsgeschwindigkeiten verstanden werden, die 5000 Umdrehungen pro Minute übersteigen. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eines der Bauteile aus einem höherkohlenstoffhaltigen Stahl mit einem Anteil von zumindest 0,35 Gewichtsprozent Kohlenstoff besteht oder diesen aufweist. Erfindungsgemäß sind die beiden Bauteile mittels eines Strahlschweißverfahrens miteinander verschweißt. Zudem ist die Hohlwelle vollständig oder bereichsweise gehärtet und zumindest im Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnahtstelle zusätzlich wärmebehandelt.The object is achieved in particular by providing a hollow shaft for a rotor of a high-speed electric motor, which has at least a first component and a second component, wherein the first component and the second component are firmly connected to one another to the hollow shaft. By high-revving rotational speeds are meant to exceed 5000 revolutions per minute. It is provided that at least one of the components consists of a steel with a higher carbon content and contains at least 0.35 percent by weight carbon. According to the invention, the two components are welded together by means of a beam welding process. In addition, the hollow shaft is completely or partially cured and additionally heat-treated, at least in the joining region, in particular along the weld seam.
Die Hohlwelle weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Dadurch, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil mittels eines Strahlschweißverfahrens miteinander verschweißt sind, ist die Hohlwelle kostengünstig und zudem modular ausgestaltbar. Zudem kann mittels des Strahlschweißverfahrens ein örtlich eng begrenzter Wärmeeintrag realisiert werden, wodurch sich ein besonders enger Fügebereich, in welchem das erste und das zweite Bauteil insbesondere miteinander verschweißt sind, ergibt. Weiterhin kann vorzugsweise ein Verzug der beiden Bauteile verhindert oder zumindest signifikant verringert werden. Je geringer der Verzug der Bauteile ist, umso weniger müssen durch Zerspanen oder sogar Richtoperationen ein Rundlauf, eine Unwucht, usw. korrigiert werden. Gerade bei Elektromotoren ist dies aufgrund der hohen Drehzahlen besonders wichtig. Die erfindungsgemäße Hohlwelle ist auf diese Weise kostengünstiger und einfacher als bekannte Hohlwellen herstellbar. Es treten auch gegenüber dem Reibschweißen keine Wulste nach außen und nach innen auf, welche aufwändig entfernt werden müssen bzw. innen nicht entfernt werden können. Letzteres Manko birgt die Gefahr einer Restschmutzverschleppung und hindert auch die funktionelle Verwendung des Innenraums der Hohlwelle. Im Gegensatz zum Reibschweißen sind auch bauteilzentrierte Schweißungen prozesssicher möglich.The hollow shaft has advantages over the prior art. The fact that the first component and the second component are welded together by means of a beam welding process, the hollow shaft is inexpensive and modular ausgestaltbar. In addition, by means of the beam welding method, a locally narrow heat input can be realized, resulting in a particularly narrow joining region, in which the first and the second component are in particular welded together. Furthermore, preferably, a delay of the two components can be prevented or at least significantly reduced. The lower the distortion of the components, the less must be corrected by machining or even straightening operations a concentricity, an imbalance, and so on. Especially with electric motors, this is particularly important because of the high speeds. The hollow shaft according to the invention is cheaper and easier to manufacture than known hollow shafts in this way. There are also no beads to the outside and inward with respect to the friction welding, which must be removed consuming or inside can not be removed. The latter shortcoming carries the risk of a residual dirt carryover and also hinders the functional use of the interior of the hollow shaft. In contrast to friction welding, component-centered welds are also reliably possible.
Aufgrund der hohen Anforderungen an die Grundfestigkeit der Hohlwelle besteht erfindungsgemäß zumindest eines der Bauteile aus einem höherkohlenstoffhaltigen Stahl mit einem Kohlenstoffgewichtsanteil von zumindest 0,35%, besonders bevorzugt von mindestens 0,45%, oder weist diesen Stahl auf. Vorzugsweise wird ein Stahl mit der Bezeichnung C50E oder C50R verwendet.Due to the high demands on the basic strength of the hollow shaft, according to the invention, at least one of the components consists of a steel with a higher carbon content and a carbon weight fraction of at least 0.35%, particularly preferably at least 0.45%, or has this steel. Preferably, a steel called C50E or C50R is used.
Gleichzeitig ist diese Werkstoffverwendung des höherkohlenstoffhaltigen Stahls für eine zumindest lokale Härtung der Welle vorteilhaft, wenn dort bestimmte Bereiche besonders hoch mechanisch beansprucht werden wie beispielsweise Lagerstellen. Bevorzugt weisen das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil außerhalb des Fügebereichs zumindest einen martensitisch und/oder bainitisch gehärteten Bereich auf.At the same time, this material use of the higher carbon steel for an at least local hardening of the shaft is advantageous if certain areas are subjected to particularly high mechanical stress, such as bearings. The first component and / or the second component preferably have at least one martensitic and / or bainitic hardened region outside the joining region.
Weiterhin zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Hohlwelle zumindest im Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnaht wärmebehandelt ist. Hierdurch werden die Rissanfälligkeit und die Kerbempfindlichkeit entscheidend reduziert, so dass eine besonders haltbare Hohlwelle realisiert ist.Furthermore, the invention is characterized in that the hollow shaft is heat-treated at least in the joining region, in particular along the weld. As a result, the susceptibility to cracking and the notch sensitivity are significantly reduced, so that a particularly durable hollow shaft is realized.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Hohlwelle über das erste Bauteil und das zweite Bauteil hinaus mindestens ein weiteres Bauteil aufweist, welches insbesondere mit dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil mittels des Strahlschweißverfahrens verschweißt ist. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil sind insbesondere permanent und/oder starr miteinander verbunden. Insbesondere sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil stoffschlüssig miteinander verbunden. Bei dem Strahlschweißverfahren handelt es sich insbesondere um ein Schweißverfahren, bei welchem eine für das Schweißen erforderliche Energie über einen Strahl transportiert wird. It is preferably provided that the hollow shaft has at least one further component beyond the first component and the second component, which is welded in particular to the first and / or the second component by means of the beam welding method. The first component and the second component are in particular permanently and / or rigidly connected to each other. In particular, the first component and the second component are integrally connected to one another. In particular, the beam welding method is a welding method in which an energy required for welding is transported via a jet.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Hohlwelle bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Strahlschweißverfahren ein Laserstrahlschweißverfahren ist. Alternativ ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Strahlschweißverfahren ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist. Mittels derartiger technologisch reifer Schweißverfahren kann eine besonders effiziente und prozesssichere Verbindung der beiden Bauteile miteinander hergestellt werden.An embodiment of the hollow shaft is preferred, which is characterized in that the beam welding method is a laser beam welding method. Alternatively, it is preferably provided that the beam welding method is an electron beam welding method. By means of such technologically mature welding methods, a particularly efficient and process-reliable connection of the two components can be produced with one another.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Hohlwelle bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das erste Bauteil einen ersten Hohlraum aufweist, wobei das zweite Bauteil einen zweiten Hohlraum aufweist, und wobei der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum in der Hohlwelle einen zusammenhängenden Hohlraum ausbilden. Vorzugsweise ist der zusammenhängende Hohlraum, insbesondere in dem Bereich, in welchem der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum aufeinandertreffen, fluiddicht gegenüber einer Umgebung der Hohlwelle ausgebildet. Mittels des zusammenhängenden Hohlraums und der hindernisfreien geometrischen Ausbildung ist es einfach möglich, einen Kühlkanal, eine Kühleinrichtung oder dergleichen in der Hohlwelle anzuordnen.An embodiment of the hollow shaft is preferred, which is characterized in that the first component has a first cavity, wherein the second component has a second cavity, and wherein the first cavity and the second cavity in the hollow shaft form a coherent cavity. Preferably, the continuous cavity, in particular in the region in which the first cavity and the second cavity meet, is formed fluid-tight with respect to an environment of the hollow shaft. By means of the continuous cavity and the obstacle-free geometric design, it is easily possible to arrange a cooling channel, a cooling device or the like in the hollow shaft.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen einer Hohlwelle für einen Rotor eines Elektromotors geschaffen wird. Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine erfindungsgemäße Hohlwelle nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele hergestellt. Im Rahmen des Verfahrens werden zuerst zwei Bauteile bereitgestellt, von denen zumindest eines aus einem Stahl mit einem Anteil von zumindest 0,35 Gewichtsprozent Kohlenstoff besteht oder diesen aufweist. Dann werden zumindest ein erstes Bauteil der Hohlwelle und ein zweites Bauteil der Hohlwelle aneinander angeordnet, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil in einem Fügebereich der Hohlwelle aneinander angrenzen. Anschließend wird das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil in dem Fügebereich mittels eines Strahlschweißverfahrens verschweißt, wobei im Zuge des Verschweißprozesses die Hohlwelle zumindest im Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnahtstelle wärmebehandelt wird. Zudem erfolgt vor, während oder nach dem Schweißprozess vollständiges oder bereichsweises Härten der Hohlwelle. Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Hohlwelle erläutert wurden.The object is also achieved in particular by providing a method for producing a hollow shaft for a rotor of an electric motor. Within the scope of the method, a hollow shaft according to the invention is particularly preferably produced according to one of the previously described exemplary embodiments. As part of the process, first of all two components are provided, at least one of which consists of or comprises a steel with a content of at least 0.35% by weight of carbon. Then, at least a first component of the hollow shaft and a second component of the hollow shaft are arranged against each other, wherein the first component and the second component in a joining region of the hollow shaft adjacent to each other. Subsequently, the first component is welded to the second component in the joining region by means of a beam welding method, wherein in the course of the welding process, the hollow shaft is heat treated at least in the joining region, in particular along the weld seam. In addition, before or during the welding process, complete or partial hardening of the hollow shaft takes place. In the context of the method, in particular, the advantages that have already been explained in connection with the hollow shaft arise.
Der Fügebereich ist insbesondere ein Bereich der Hohlwelle, in welchem das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil durch eine während des Verschweißens eingebrachte Wärme verändert, insbesondere aufgeschmolzen werden. Der Fügebereich, insbesondere die Schweißnahtstelle, umfasst einerseits eine Zone, die im Zuge des Schweißens örtlich aufgeschmolzen wird, also eine sogenannte Schmelzzone. Benachbart zu dieser Schmelzzone treten zudem im ersten und/oder zweiten Bauteil während des Schweißprozesses hohe Temperaturen auf, die zu einer Gefügeveränderung von bezüglich der Schmelzzone benachbarten Zonen des ersten bzw. zweiten Bauteils führen. Diese benachbarten Zonen werden Wärmeeinflusszonen genannt. Der Fügebereich umfasst somit die Schmelzzone und die jeweiligen Wärmeeinflusszonen des ersten bzw. zweiten Bauteils.The joining region is in particular a region of the hollow shaft in which the first component and / or the second component are changed, in particular melted, by a heat introduced during the welding. The joining region, in particular the weld seam, on the one hand comprises a zone which is locally melted in the course of the welding, that is to say a so-called melting zone. Adjacent to this melting zone, high temperatures which occur in the first and / or second component during the welding process lead to a structural change of zones of the first or second component which are adjacent to the melting zone. These adjacent zones are called heat affected zones. The joining region thus comprises the melting zone and the respective heat-affected zones of the first or second component.
Insbesondere ist der Fügebereich ein Bereich der Hohlwelle, in welchem das erste Bauteil und das zweite Bauteil stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorzugsweise sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil in dem Fügebereich miteinander fluchtend verbunden, wobei vorzugsweise das erste und das zweite Bauteil fluiddicht miteinander verbunden sind.In particular, the joining region is a region of the hollow shaft in which the first component and the second component are connected to one another in a material-locking manner. Preferably, the first component and the second component in the joining region are connected in alignment, wherein preferably the first and the second component are fluid-tightly interconnected.
Bei Verwendung von Stählen mit einem Kohlenstoffgewichtsanteil von mehr als 0,35%, wie es erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehen ist, treten durch den Schweißprozess üblicherweise hohe Aufhärtungen auf. In Vickershärte HV1 ausgedrückt sind dies Aufhärtungen mit typischerweise mehr als 600 HV1. Durch die Prozessführung im Zuge des Schweißprozesses an der erfindungsgemäßen Hohlwelle weist die verschweißte Hohlwelle im Fügebereich, also in der früheren Schmelzzone und in der mindestens einen Wärmeeinflusszone, jeweils im Mittel im Wesentlichen eine Härte von weniger als 500 HV1, vorzugsweise von weniger als 450 HV1, besonders bevorzugt von weniger als 400 HV1 auf.When using steels with a carbon weight fraction of more than 0.35%, as is preferably provided according to the invention, usually occur by the welding process high levels of hardening. Expressed in terms of Vickers hardness HV1, these are cures with typically more than 600 HV1. As a result of the process control in the course of the welding process on the hollow shaft according to the invention, the welded hollow shaft in the joining region, that is to say in the earlier melting zone and in the at least one heat-affected zone, in each case has on average essentially a hardness of less than 500 HV1, preferably of less than 450 HV1, more preferably less than 400 HV1.
Erfindungsgemäß erfolgt dann ein Härten der Hohlwelle und – vorher und/oder nachher – eine Wärmebehandlung der Hohlwelle zumindest im Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnahtstelle.According to the invention, then hardening of the hollow shaft and - before and / or after - a heat treatment of the hollow shaft at least in the joining region, in particular along the weld seam.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil jeweils zumindest in dem späteren Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnahtstelle vor dem Verschweißen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zumindest bereichsweise vorgewärmt wird, beziehungsweise werden. Die Vorwärmung erfolgt bevorzugter Weise in einer Anordnung, bei der das erste und das zweite Bauteil im Wesentlichen bereits in einer späteren Fügeanordnung zueinander positioniert sind. Eine Vorwärmtemperatur ist insbesondere abhängig vom verwendeten Stahl, jedoch vorzugsweise so gewählt, dass die Vorwärmtemperatur im Wesentlichen mindestens 450° Celsius, insbesondere mindestens 500° Grad Celsius beträgt, aber geringer ist als eine Austenitisierungstemperatur der jeweiligen Stähle der zu fügenden Bauteile. Der Begriff Austenitisierungstemperatur meint in diesem Zusammenhang eine Mindesttemperatur, ab der ein nennenswerter Gefügeanteil des jeweiligen Stahles in die Austenitphase umwandelt.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the first component and / or the second component in each case at least in the subsequent joining region, in particular along the weld seam before Welding of the first component with the second component is at least partially preheated, or be. The preheating is preferably carried out in an arrangement in which the first and the second component are already substantially positioned in a later joining arrangement to each other. A preheating temperature is particularly dependent on the steel used, but preferably chosen so that the preheating temperature is substantially at least 450 ° C, in particular at least 500 ° C, but is less than an austenitizing temperature of the respective steels of the components to be joined. In this context, the term austenitizing temperature means a minimum temperature at which a significant proportion of the respective steel transforms into the austenite phase.
Vorzugsweise werden das Vorwärmen des ersten und des zweiten Bauteils und das Verschweißen des ersten und des zweiten Bauteils miteinander in der gleichen Aufspannung der Hohlwelle durchgeführt. Durch das Vorwärmen können die Eigenschaften der beiden Bauteile insbesondere in Zusammenhang mit dem Verschweißen signifikant verbessert werden. Die Vorwärmung erfolgt hierbei mittels zumindest einer Wärmequelle, beispielsweise mittels einer induktiven Wärmequelle, mittels mindestens einer Heizlampe oder eines Heizstrahlers, mittels mindestens einer Flamme, mittels mindestens einer Laserstrahlquelle, mittels mindestens einer Elektronenstrahlquelle, eines Plasmastrahls oder einer Kombination der genannten Wärmequellen.Preferably, the preheating of the first and the second component and the welding of the first and the second component are carried out together in the same clamping of the hollow shaft. By the preheating, the properties of the two components, in particular in connection with the welding can be significantly improved. The preheating takes place here by means of at least one heat source, for example by means of an inductive heat source, by means of at least one heating lamp or by means of at least one flame, by means of at least one laser beam source, by means of at least one electron beam source, a plasma jet or a combination of said heat sources.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Hohlwelle zumindest in dem Fügebereich, insbesondere entlang der Schweißnahtstelle unmittelbar nach dem Verschweißen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zumindest bereichsweise besonders bevorzugt kurzzeitig über eine Zeitdauer von mindestens 1 Sekunde vorzugsweise bei einer Temperatur von mindestens 400° Celsius bis höchstens 720° Celsius, vorzugsweise bei einer Temperatur von mindestens 450° Celsius bis höchstens 720° Celsius, vorzugsweise bei einer Temperatur von mindestens 500° Celsius bis höchstens 700° Celsius nachgewärmt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass die Hohlwelle zumindest im Fügebereich nach dem Verschweißen für eine gewisse Zeit gezielt warmgehalten wird. Die aktive Nachwärmung erfolgt hierbei mittels zumindest einer Wärmequelle, beispielsweise mittels einer induktiven Wärmequelle, mittels mindestens einer Heizlampe, mittels mindestens einer Flamme, mittels mindestens einer Laserstrahlquelle, mittels mindestens einer Elektronenstrahlquelle oder einer Kombination der genannten Wärmequellen.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the hollow shaft, at least in the joining region, in particular along the weld seam immediately after welding of the first component to the second component at least partially particularly preferably for a short time over a period of at least 1 second, preferably at a temperature of at least 400 ° Celsius to at most 720 ° Celsius, preferably at a temperature of at least 450 ° Celsius to at most 720 ° Celsius, preferably at a temperature of at least 500 ° Celsius to at most 700 ° Celsius is reheated. In other words, that means that the hollow shaft is selectively kept warm for a certain time, at least in the joint area after welding. Active reheating takes place here by means of at least one heat source, for example by means of an inductive heat source, by means of at least one heating lamp, by means of at least one flame, by means of at least one laser beam source, by means of at least one electron beam source or a combination of said heat sources.
Bei der/den Wärmequelle(n) für die Nachwärmung kann es sich um dieselbe bzw. dieselben Wärmequelle(n) handeln, wie beim Vorwärmen.The reheating heat source (s) may be the same or the same heat source (s) as preheating.
Besonders bevorzugt werden das Nachwärmen der Hohlwelle und das Verschweißen des ersten und des zweiten Bauteils miteinander in der gleichen Aufspannung der Hohlwelle durchgeführt. Besonders bevorzugt werden das Vorwärmen, das Verschweißen und das Nachwärmen des ersten und des zweiten Bauteils in der gleichen Aufspannung der Hohlwelle durchgeführt. Durch das Vor- und/oder Nachwärmen der Hohlwelle können die Eigenschaften der Hohlwelle signifikant verbessert werden, insbesondere hinsichtlich einer Gefügeausbildung, Aufhärtungen, einer Eigenspannungssituation und einer Verringerung beziehungsweise Vermeidung einer Rissbildung im Fügebereich. Sofern das Vor- und Nachwärmen und der Schweißprozess mit Laserstrahlquellen durchgeführt werden, werden innerhalb einer Aufspannung der Hohlwelle vorzugsweise eine oder mehrere Optiken, Strahlquellen oder Laserarten, insbesondere bezüglich einer Wellenlänge und/oder einer Fokussierung verschiedene Laserstrahleigenschaften, vorzugsweise für das Vorwärmen, Verschweißen und Nachwärmen vorgesehen.Particularly preferably, the reheating of the hollow shaft and the welding of the first and the second component are carried out together in the same clamping of the hollow shaft. Particularly preferably, the preheating, the welding and the reheating of the first and the second component are carried out in the same clamping of the hollow shaft. By pre-heating and / or reheating the hollow shaft, the properties of the hollow shaft can be significantly improved, in particular with regard to a structural formation, hardening, a residual stress situation and a reduction or prevention of cracking in the joining area. If the pre-heating and reheating and the welding process are performed with laser beam sources, preferably one or more optics, beam sources or laser types, in particular with respect to a wavelength and / or a focus different laser beam properties, preferably for preheating, welding and reheating within a clamping of the hollow shaft intended.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass vor dem Verschweißen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mehrere lamellenförmige Bleche auf dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil, vorzugsweise auf dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, angeordnet werden. Vorzugsweise werden die mehreren lamellenförmigen Bleche unmittelbar vor dem Vorwärmen und/oder dem Verschweißen des ersten und des zweiten Bauteils miteinander auf dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil angeordnet. Die mehreren lamellenförmigen Bleche sind vorzugsweise als Lamellenpaket ausgebildet. Vorzugsweise sind die mehreren lamellenförmigen Bleche Teil eines Ankers und/oder eines Kommutators des Elektromotors. Vorzugsweise werden die mehreren lamellenförmigen Bleche auf das erste und/oder das zweite Bauteil aufgepresst, wobei die mehreren Bleche das erste und/oder das zweite Bauteil in einer Umfangsrichtung der Hohlwelle vorzugsweise zumindest abschnittsweise umgreifen. Auf diese Weise können eine Montage der mehreren lamellenförmigen Bleche an dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil sowie ein Verschweißen der beiden Bauteile miteinander in einem Montageprozess der Hohlwelle integriert werden. Weiterhin ist es durch ein dem Anordnen der mehreren lamellenförmigen Bleche nachgelagertes Verschweißen der beiden Bauteile miteinander möglich, Ölführungselemente an oder in der Hohlwelle vorzusehen. Weiterhin können Restschmutzanforderungen bezüglich der Hohlwelle sicher eingehalten werden. Weiterhin kann eines der zu verschweißenden Bauteile so ausgebildet sein, dass über einen am Umfang angebrachten Steg, Erhebung oder ähnliches die lamellenförmigen Bleche in ihrer Position gehalten oder verpresst werden. Durch das Verschweißen der Bauteile wird diese Halterung oder Verpressung dann dauerhaft fixiert.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that a plurality of lamellar plates are arranged on the first component or the second component, preferably on the first component and the second component, before the first component is welded to the second component. Preferably, the plurality of lamellar sheets are placed on each other on the first and / or the second component immediately before the preheating and / or the welding of the first and the second component. The plurality of lamellar sheets are preferably formed as a plate pack. Preferably, the plurality of lamellar sheets are part of an armature and / or a commutator of the electric motor. Preferably, the plurality of lamellar sheets are pressed onto the first and / or the second component, wherein the plurality of sheets preferably surround the first and / or the second component in a circumferential direction of the hollow shaft, at least in sections. In this way, an assembly of the plurality of lamellar sheets on the first and / or the second component and a welding of the two components can be integrated with one another in a mounting process of the hollow shaft. Furthermore, it is possible by an arrangement of the plurality of laminar plates downstream welding of the two components with each other to provide oil guide elements on or in the hollow shaft. Furthermore, residual dirt requirements with respect to the hollow shaft can be safely met. Furthermore, one of the components to be welded can so be formed so that the lamellar sheets are held or pressed in position via a circumferentially mounted web, survey or the like. By welding the components, this holder or compression is then permanently fixed.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das erste Bauteil oder das zweite Bauteil, vorzugsweise das erste Bauteil und das zweite Bauteil außerhalb des Fügebereichs, zumindest bereichsweise oder auch im gesamten Volumen bevorzugt martensitisch und/oder bainitisch gehärtet werden. Dies ist insbesondere bei Lagerstellen vorteilhaft. Dieser Härteprozess wird mit Hilfe einer Energiequelle durchgeführt. Bei dieser Energiequelle kann es sich beispielsweise um eine induktive Energiequelle und/oder um mindestens eine Laserstrahlquelle und/oder um mindestens eine Elektronenstrahlquelle und/oder um einen Ofen handeln. Besonders bevorzugt werden das erste Bauteil oder das zweite Bauteil, vorzugsweise das erste Bauteil und das zweite Bauteil, mittels eines Laserstrahls gehärtet. Vorzugsweise werden das erste und/oder das zweite Bauteil jeweils in mechanisch und/oder tribologisch hochbeanspruchten Bereichen gehärtet. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Bauteil zumindest bereichsweise in einer Randschicht derselben/desselben gehärtet werden/wird oder – bezogen auf ein Volumen des ersten und/oder des zweiten Bauteils – durchgehärtet werden/wird. Die erzielbare Härte an der zumindest lokal zu härtenden Zone ist tendenziell umso höher, je höher der Kohlenstoffgehalt des verwendeten ersten und/oder zweiten Bauteils ist.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the first component or the second component, preferably the first component and the second component outside the joint area, at least partially or even in the entire volume are hardened preferably martensitic and / or bainitic. This is particularly advantageous for bearings. This hardening process is carried out with the help of an energy source. This energy source may be, for example, an inductive energy source and / or at least one laser beam source and / or at least one electron beam source and / or an oven. Particularly preferably, the first component or the second component, preferably the first component and the second component, hardened by means of a laser beam. Preferably, the first and / or the second component in each case hardened in mechanically and / or tribologically highly stressed areas. It is preferably provided that the first and / or the second component is at least partially hardened in an edge layer of the same or is hardened / is based on a volume of the first and / or the second component. The attainable hardness at the at least locally to be cured zone tends to be higher, the higher the carbon content of the first and / or second component used.
Ein Härten des ersten und/oder des zweiten Bauteils wird vorzugsweise vor, während oder nach dem Verschweißen dieser beiden Bauteile miteinander durchgeführt. Durch das Härten, mittels mindestens einer Energiequelle, kann eine Gestalt- und/oder Modalfestigkeitssteigerung der Hohlwelle zumindest bereichsweise realisiert werden, wobei insbesondere Druckeigenspannungen in der Hohlwelle gezielt verändert werden können. Zudem kann durch das Härten ein wirksamer Verschleißschutz realisiert werden. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise eine Dimensionierung eines gehärteten Bereichs insbesondere in Abhängigkeit von Festigkeitsanforderungen oder Verschleißanforderungen realisiert.A hardening of the first and / or the second component is preferably carried out before, during or after the welding of these two components together. By hardening, by means of at least one energy source, a structural and / or modal increase in strength of the hollow shaft can be realized at least in regions, in particular compressive stresses in the hollow shaft can be selectively changed. In addition, can be realized by curing an effective wear protection. Furthermore, a dimensioning of a hardened area is realized in an advantageous manner, in particular as a function of strength requirements or wear requirements.
Ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gehärteter Bereich des ersten und/oder des zweiten Bauteils weist vorzugsweise Merkmale einer Durchhärtung und/oder Randschichthärtung auf, beispielsweise hergestellt durch Induktivhärten, Laserstrahlhärten, Elektronenstrahlhärten oder Ofenhärtung oder einer Kombination der genannten Verfahren. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass Bauteilbereiche des ersten und/oder zweiten Bauteils zusätzlich oder alternativ Merkmale einer thermochemischen Wärmebehandlung, beispielweise Nitrieren, Plasmanitrieren oder Nitrocarburieren und/oder einer durchgehenden Wärmebehandlung, beispielsweise Weichglühen, Vergüten oder Normalisieren aufweisen.A region of the first and / or the second component hardened by means of the method according to the invention preferably has characteristics of through hardening and / or surface hardening, for example produced by inductive hardening, laser beam hardening, electron beam hardening or oven hardening or a combination of said methods. In principle, it is also conceivable that component regions of the first and / or second component additionally or alternatively have features of a thermochemical heat treatment, for example nitriding, plasma nitriding or nitrocarburizing and / or a continuous heat treatment, for example soft annealing, quenching or normalizing.
Vorzugsweise können durch den Einsatz von Energiequellen wie induktive Energiequellen, Laserstrahlquellen und Elektronenstrahlquellen kurze Prozesszeiten beim Härten, insbesondere beim Randschichthärten, realisiert werden. Damit kann insbesondere im Vergleich zum Einsatzhärten eine Prozesskette einfacher und kostengünstiger ausgestaltet sein. Insbesondere ist es im Vergleich zum Einsatzhärten nicht erforderlich, die Hohlwelle aus einem Montageprozess, insbesondere einer Fertigungslinie, auszuschleusen, bei hoher Temperatur und langer Haltezeit aufzukohlen, anschließend eine Aufkohlungszone in einem Schweißbereich zu entfernen und die Hohlwelle dann wieder in den Montageprozess, insbesondere in die Fertigungslinie einzuschleusen. Vielmehr ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Härten in der Fertigungslinie durchzuführen. Weiterhin kann mittels Laserhärten im Vergleich zum Einsatzhärten ein Verzug der Hohlwelle signifikant reduziert oder gar verhindert werden.Preferably, by the use of energy sources such as inductive energy sources, laser beam sources and electron beam sources short process times during curing, in particular during surface hardening, can be realized. Thus, in particular compared to case hardening, a process chain can be made simpler and less expensive. In particular, compared to case hardening, it is not necessary to remove the hollow shaft from an assembly process, in particular a production line, to carburize at high temperature and a long holding time, then to remove a carburizing zone in a welding area and then return the hollow shaft to the assembly process, in particular into the assembly process To introduce the production line. Rather, it is advantageously possible to carry out the curing in the production line. Furthermore, by means of laser hardening compared to case hardening, warpage of the hollow shaft can be significantly reduced or even prevented.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Schweißen mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls durchgeführt wird, wobei das Vorwärmen und/oder das Nachwärmen mittels eines Laserstrahls durchgeführt wird, oder das Schweißen, Vor- und Nachwärmen mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt wird, was anlagentechnisch vorteilhaft ist, weil nur eine Laserkabine bzw. Vakuumkammer erforderlich ist.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the welding is carried out by means of a laser beam or an electron beam, wherein the preheating and / or reheating is carried out by means of a laser beam, or the welding, pre-heating and post-heating by means of an electron beam is performed, which is technically advantageous because only a laser cabin or vacuum chamber is required.
Bevorzugt werden eines der beiden Bauteile mittels eines Massivumformverfahrens, insbesondere Schmiedens, und das andere Bauteil mittels eines Blechumformverfahrens hergestellt. Denkbar ist es auch, dass beide Bauteile mit einem der beiden Verfahren hergestellt werden. Die Bauteile können auch mittels spanender Prozesse aus Stangen- oder Rohrmaterial erzeugt werden. Aus Festigkeits- und Verschweißbarkeitsgründen des erzeugten Bauteils sind Massivumformverfahren wie Schmieden in der Verwendung besonders vorteilhaft.Preferably, one of the two components is produced by means of a massive forming process, in particular forging, and the other component by means of a sheet metal forming process. It is also conceivable that both components are produced by one of the two methods. The components can also be produced by means of cutting processes of rod or tube material. For reasons of strength and weldability of the component produced, massive forming processes such as forging are particularly advantageous in use.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits sowie der Hohlwelle andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Hohlwelle beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Hohlwelle, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Hohlwelle. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Hohlwelle bedingt ist. Die Hohlwelle zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.The description of the method on the one hand and the hollow shaft on the other hand are to be understood complementary to each other. In particular, method steps that have been explicitly or implicitly described in connection with the hollow shaft, preferably individually or combined together steps of a preferred embodiment of the method. Features of the hollow shaft, which explains explicitly or implicitly in connection with the method are preferably singly or combined with each other features of a preferred embodiment of the hollow shaft. The method is preferably characterized by at least one method step, which is caused by at least one feature of an inventive or preferred embodiment of the hollow shaft. The hollow shaft is preferably characterized by at least one feature, which is due to at least one step of a preferred embodiment of the method according to the invention or preferred embodiment.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing.
Dabei zeigen:Showing:
Das erste Bauteil
Der Fügebereich
Ein Durchmesser des ersten Bauteils
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Alternativ kann der Fügebereich
Der Durchmesser des ersten Bauteils
Vorzugsweise liegt der Fügebereich
Vorzugsweise ist das Strahlschweißverfahren ein Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschweißverfahren.Preferably, the beam welding process is a laser beam or electron beam welding process.
Das erste Bauteil
Vorzugsweise weisen das erste Bauteil
Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen der Hohlwelle
Vorzugsweise wird die Hohlwelle
Alternativ kann die Hohlwelle
Alternativ ist es möglich, dass beim Schweißprozess der Schweißstrahl
Ferner ist vorstellbar, dass sich sowohl das erste Bauteil
Vorzugsweise wird die Hohlwelle
Insbesondere wenn das erste Bauteil
Der Vorwärmprozess dient insbesondere dazu, den nach dem Schweißen stattfindenden Nachwärmprozess vorzubereiten. Die Vorwärmung erfolgt hierbei mittels zumindest einer Energiequelle, beispielsweise mittels einer induktiven Wärmequelle, mittels einer Heizlampe, mittels einer Flamme, mittels einer mindestens Laserstrahlquelle, mittels einer mindestens Elektronenstrahlquelle oder einer Kombination der genannten Wärmequellen.The preheating process serves, in particular, to prepare the post-welding process which takes place after welding. The preheating takes place here by means of at least one energy source, for example by means of an inductive heat source, by means of a heating lamp, by means of a flame, by means of an at least laser beam source, by means of an at least electron beam source or a combination of said heat sources.
Als sehr vorteilhaft stellt sich das Vorwärmen als ein lokales Vorwärmen des Fügebereiches
Bei entsprechend hoher Umdrehungsgeschwindigkeit der Hohlwelle
Gleichermaßen ist grundsätzlich auch vorstellbar, dass der Vorwärmstrahl
Nach dem Vorwärmen oder teilweise zeitlich parallel zum Vorwärmen findet der Schweißprozess statt. Hierbei wird die Hohlwelle
Vorzugsweise wird die Hohlwelle
Als sehr vorteilhaft stellt sich das Nachwärmen als ein lokales Nachwärmen, also ein lokales Warmhalten des Fügebereiches
Indem die Hohlwelle
Bei entsprechend hoher Umdrehungsgeschwindigkeit der Hohlwelle
Da der Schweißprozess und der Nachwärmprozess vorzugsweise mit der gleichen Aufspannung der Hohlwelle
Gleichermaßen ist grundsätzlich auch vorstellbar, dass sich der Nachwärmstrahl
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass in einer einzigen Aufspannung der Hohlwelle
Vorzugsweise können/kann das Vorwärmen, das Verschweißen und/oder das Nachwärmen jeweils auch durchgeführt werden, indem die Energiequelle(n) zum Vorwärmen, in
Auch ist vorteilhaft, wenn die Energiequelle zum Vorwärmen und/oder die Energiequelle zum Nachwärmen stationäre Wärmequellen sind, welche die Hohlwelle
Optional werden vor dem Verschweißen des ersten Bauteils
Bei einer hier nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Bauteil
Optional wird das Schweißen mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt, wobei das Vorwärmen und/oder das Nachwärmen mittels eines Laserstrahls durchgeführt wird. Alternativ wird das Schweißen, Vor- und Nachwärmen mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt. Bevorzugt werden das erste Bauteil
Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Hohlwelle
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DE102017008493.9A DE102017008493A1 (en) | 2017-09-09 | 2017-09-09 | Hollow shaft for a rotor of an electric motor and method for producing a hollow shaft for a rotor of an electric motor |
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CN110401275A (en) * | 2019-08-21 | 2019-11-01 | 上海锢维智能设备有限公司 | Lightweight rotor axis of electric and preparation method thereof |
DE102018221569A1 (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | Thyssenkrupp Ag | Rotor device for an electrical machine and electrical machine |
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