DE102019109921A1

DE102019109921A1 - Verfahren zur Schaffung einer Pressverbindungsanordnung, Pressverbindungsanordnung und Verfahren zur Schaffung einer Spannverbindung sowie die Spannverbindung an sich sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102019109921A1
Application number: DE102019109921.8A
Authority: DE
Inventors: Fares Gamal Abdullah Ali; Matthias Weigold; Gerhard Flores; Tobias Thom; Tobias Wagner
Original assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US20200325922A1; US11598358B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung einer Pressverbindungsanordnung sowie einer Spannverbindung, wobei das Verfahren mehrere Schritte umfasst, sowie eine Pressverbindungsanordnung und eine Spannverbindung an sich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Schaffung einer Pressverbindungsanordnung sowie in einem zweiten Aspekt eine entsprechende Pressverbindungsanordnung an sich und in einem dritten Aspekt die Verwendung einer Pressverbindungsanordnung oder einer Spannverbindung. In einem unabhängigen dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schaffung einer Spannverbindung, sowie in einem vierten Aspekt eine derartige Spannverbindung an sich.
Die Pressverbindungsanordnung wird durch flächigen Kontakt einer radial inneren Komponente, bspw. einer Welle mit einer radial äußeren Komponente, bspw. einer Nabe, geschaffen.
Die Spannverbindung wird durch flächigen Kontakt einer Aufnahme mit einem entsprechenden Schaftabschnitt geschaffen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung ist aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2011 005 408 A1 bekannt. Auch die DE 10 2009 050 626 A1 illustriert ein Verfahren zum Herstellen Verbindungsanordnung.
Aufgabe des ersten und zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schaffung einer Pressverbindungsanordnung bzw. eine derartige Pressverbindungsanordnung an sich bereit zu stellen, wobei die Pressverbindungsanordnung mehrfach lösbar und wiederherstellbar (verbindbar) ist, ohne dass die Möglichkeit zur Übertragung eines Moments zwischen den verbundenen Komponenten zwischen den einzelnen Vorgängen zur Schaffung der Verbindung nachlässt. Mit anderen Worten, es sollen möglichst hohe Drehmomente auch bei wiederholtem Lösen und Herstellen der Pressverbindungsanordnung übertragbar sein.
Ein Anwendungsfall einer derartigen Verbindung ist beispielsweise eine Aufnahme eines Werkzeugschafts in einem Werkzeugspannfutter. Der Werkzeugschaft ist dabei die radial innere Komponente und das Werkzeugspannfutter die radial äußere Komponente. Die radial äußere Komponente kann also auch mehrere Teilabschnitte umfassen. Die Teilabschnitte können, insbesondere im die Pressverbindungsanordnung bildenden Zustand, radial zueinander beabstandet sein.
Die erfindungsgemäße Pressverbindungsanordnung weist eine Rotationsachse auf, die sich in einer axialen Richtung der Pressverbindungsanordnung erstreckt. Im vorgesehenen Betrieb wird die Pressverbindungsanordnung um diese Rotationsachse rotiert (Bspw. rotiert ein Bohrer in einem Spannfutter um die Längsachse des Bohrers im entsprechenden Betrieb). Eine radiale Richtung der Pressverbindungsanordnung verläuft orthogonal zur axialen Richtung. Axiale, radiale Richtung und eine Umfangsrichtung bilden gemeinsam ein Zylinderkoordinatensystem, so dass die Umfangsrichtung jeweils lokal orthogonal zu einer durch die axiale und radiale Richtung aufgespannten Ebene verläuft.
Die Pressverbindungsanordnung wird durch Schaffung einer kraftschlüssigen Verbindung mittels Mikroformschluss zwischen einer radial inneren Komponente (im Folgenden teilweise auch als Welle bezeichnet) mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche und einer radial äußeren Komponente (im Folgenden teilweise auch als äußere Komponente bezeichnet) mit einer radial innenliegenden Kontaktfläche geschaffen.
Das entsprechende Verfahren umfasst mehrere Schritte:

a) Bereitstellen der radial inneren Komponente mit axial erstreckter und radial außenliegender Kontaktfläche, die rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse der Welle ist. Mit axial erstreckt ist dabei vorliegend gemeint, dass der Normalenvektor der Kontaktfläche in radialer Richtung gerichtet ist.
b) Bereitstellen der radial äußeren Komponente mit axial erstreckter und radial innenliegender Kontaktfläche, die rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse der radial äußeren Komponente ist.
c) Laserstrukturieren wenigstens einer der Kontaktflächen (also der radial innenliegenden Kontaktfläche der radial äußeren Komponente und/oder der radial außenliegenden Kontaktfläche der radial inneren Komponente), wobei eine Strukturierung mit zur jeweiligen Rotationsachse punktsymmetrischem Oberflächenprofil bzw. Höhenprofil (die bezüglich der Rotationsachse jeweils um 180° versetzt zu dieser angeordneten Stellen auf den Kontaktflächen weisen zur Rotationsachse den gleichen effektiven Abstand auf) geschaffen wird. Vorzugsweise ist die gesamte Strukturierung entsprechend symmetrisch und dadurch das entsprechend symmetrische Oberflächenprofil bzw. Höhenprofil gebildet.
d) Berührungsfreies Anordnen der inneren und der äußeren Komponenten zueinander in der vorgesehenen axialen Relativposition. Mit der vorgesehenen axialen Relativpositionen ist dabei diejenige Position der inneren und der äußeren Komponente zueinander in axialer Richtung gemeint, die im endgültigen verspannten bzw. verpressten Zustand zueinander durch die beiden Bauteile (Komponenten) eingenommen werden soll.
e) Fügen der Pressverbindungsanordnung. Bei diesem Füge-Vorgang erfolgt eine druckbelastete Kontaktierung der Kontaktflächen miteinander durch eine rein radial gerichtete Fügebewegung. Mit anderen Worten, die beiden Kontaktflächen bewegen sich in radialer Richtung und in axialer oder Umfangsrichtung findet keine Bewegung statt. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Kontaktflächen rein in radialer Richtung verpresst werden und die vorab geschaffene Strukturierung wird nicht (durch eine bspw. überlagerte axiale Bewegung) abgeschert. Im gefügten Zustand sind die Rotationsachse der inneren Komponente und die Rotationsachse der äußeren Komponente in Übereinstimmung mit der Rotationsachse der Pressverbindungsanordnung, mit anderen Worten, die Rotationsachsen der Komponenten fallen aufeinander. Bereits nach dem Schritt des berührungsfreien Anordnens in der vorgesehenen axialen Relativposition können die Rotationsachsen der Komponenten zusammenfallen. Dies vereinfacht die spätere rotationssymmetrische Anordnung der Komponenten zueinander. Während bereits durch ein punktsymmetrisches Oberflächenprofil eine symmetrische Verspannung der beiden Komponenten zueinander verbessert wird, ist es besonders bevorzugt, wenn die Strukturierung mit zur jeweiligen Rotationsachse rotationssymmetrischem Oberflächenprofil (auf einer axialen Höhe haben sämtliche Stellen in Umfangsrichtung den gleichen effektiven radialen Abstand zur Rotationsachse) geschaffen wird. Dadurch können die beiden zu fügenden Komponenten in Umfangsrichtung beliebig zueinander rotiert und platziert werden vor dem Verspannungsvorgang. Dies vereinfacht die zu schaffende Verbindung.

Es kann vorgesehen sein, dass die äußere Komponente wenigstens zwei getrennte (bspw. zueinander in Umfangsrichtung beabstandete) und insbesondere aufeinander (radial) zu bewegbare Teilabschnitte umfasst.
Die äußere Komponente kann beispielsweise als Spannfutter ausgebildet sein. Beispielsweise kann die äußere Komponente als Mehrbackenspannfutter ausgebildet sein.
Nach der berührungsfreien Anordnung der inneren Komponente und der äußeren Komponente zueinander (in der vorgesehenen axialen Relativposition), können die bewegbaren Teilabschnitte in radialer Richtung aufeinander zu bewegt werden, um die Pressverbindungsanordnung zu fügen. Also um die beiden Komponenten bzw. deren Kontaktflächen mit Druck miteinander in Kontakt zu bringen.
Hierdurch lässt sich die entsprechende Verbindung zwischen äußerer Komponente und innerer Komponente denkbar einfach schaffen. Das rein radial gerichtete Fügen verhindert wie oben erwähnt ein Abscheren der Strukturierung. Die Verbindung ist dadurch wiederholt lös- und fügbar. Eine derart rein radial gerichtete Bewegung lässt sich mit einer äußeren Komponente mit mehreren bewegbaren Teilabschnitten besonders einfach realisieren. Insbesondere können die Teilabschnitte derart miteinander bewegungsgekoppelt sein, dass sie bei der radial einwärts gerichteten Bewegung sich mit gleicher Geschwindigkeit radial einwärts bewegen.
Die äußere Komponente kann eine Spannvorrichtung sein. Denkbar ist beispielsweise, dass die äußere Komponente als Werkzeugspannsystem ausgebildet ist. Denkbar ist beispielsweise ein Hydrodehnspannfutter, ein Backenfutter, eine Spannzange oder ein Thermospannfutter.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kontaktfläche der äußeren Komponente mit ihrer Oberfläche jeweils in radialer Richtung bewegt. Lokal erstreckt sich die Oberfläche der Kontaktfläche typischerweise orthogonal zur radialen Richtung. Die Kontaktfläche der äußeren Komponente ist typischerweise gekrümmt ausgebildet, so dass sich die orthogonale Anordnung der Kontaktfläche auf die jeweilige lokale Tangente bezieht.
Die innere Komponente kann ein Werkzeugschaft sein. Die wenigstens eine Kontaktfläche, welche durch Laserbearbeitung strukturiert wurde kann dabei auf dem Werkzeugschaft angeordnet sein.
Es kann also vorgesehen sein, dass die Pressverbindungsanordnung eine Spannvorrichtung in Form eines Werkzeugspannsystems umfasst, wobei die Kontaktflächen der Spannvorrichtung unstrukturiert sind und die innere Komponente ein Werkzeugschaft ist, und die Kontaktfläche des Werkzeugschaftes entsprechend durch Laser-Bearbeitung strukturiert ist.
Generell kann es vorteilhaft sein, wenn die Strukturierung auf der Komponente mit der härteren Oberfläche aufgebracht ist. Bspw. kann der Schaft eines Hartmetallwerkzeugs strukturiert sein und in einem gehärteten Spannfutter angeordnet sein.
Die strukturierte Komponente kann im strukturierten Bereich aus einem massiven, also hohlraumfreien, Werkstoff bestehen. Das Vorhandensein von Hohlräumen im strukturierten Bereich kann sich negativ auf die erreichbare Güte der Struktur auswirken und auch deren Stabilität beeinträchtigen.
Die jeweilige Strukturierung kann Aufwürfe umfassen. Die Aufwürfe weisen dabei jeweils eine gewisse Höhe auf. Die Maximalhöhe der durch die Strukturierung geschaffenen Aufwürfe kann dabei 25 Mikrometer, insbesondere 20 Mikrometer, insbesondere 15 Mikrometer, insbesondere 10 Mikrometer, insbesondere 5 Mikrometer, betragen. Die Höhe der Aufwürfe überschreitet also diesen Wert nicht. Eine derartige Obergrenze für die Höhe der Aufwürfe verbessert die Lösbarkeit der geschaffenen Verbindung, da die Aufwürfe und die gesamte Strukturierung beim Fügen nur minimal bzw. gar nicht plastisch vorformt wird. Die Höhe wird dabei als radialer Abstand des radial äußeren Punkts einer Erhebung („Berggipfel“) zum zwischen zwei radialen Maxima liegenden radial inneren Punkt („Tal“) gesehen. Vorteilhaft können Aufwürfe mit einer Höhe zwischen 1 und 5 Mikrometern sein.
Die Strukturierung kann linienförmige Aufwürfe umfassen. Die linienförmigen Aufwürfe können dabei insbesondere in axialer Richtung erstreckt ausgebildet und angeordnet sein. Insbesondere die in axialer Richtung erstreckten linienförmigen Aufwürfe ermöglichen Aufnahmen hoher Drehmomente.
Die Strukturierung kann auch linienförmige Aufwürfe umfassen. wobei die linienförmigen Aufwürfe in sich kreuzenden Linien verlaufen, insbesondere wobei die Linien einen Winkel 64 von 75° bis 105° einschließen.
Wenn im Kontext dieser Anmeldung von Oberflächenprofil die Rede ist, so ist damit die durch die radial außen liegenden Punkte (also „Berggipfel“) definierte Oberfläche gemeint. Also die Position der Oberfläche ohne dass ein Gegenpart die Strukturierung deformiert oder in die Zwischenräume der Aufwürfe durch plastische Verformung eindringt.
Eine entsprechende erfindungsgemäße Pressverbindungsanordnung (bzw. Welle-Nabe-Verbindung) zeichnet sich dadurch aus, dass sie nach einem der hier beschriebenen Verfahren geschaffen wurde.
Typischerweise ist bei einer derartigen Pressverbindungsanordnung bei Mikroskopischer-Analyse der Oberflächen der beiden Fügepartner ersichtlich, dass es keine Spuren eines sogenannten Fressens (Abscheren von Aufwürfen der Struktur oder verursachen von Furchen in der Komponente, die keine Strukturierung aufweist) gibt.
Auch das Eindringen der Erhebungen der beiden Fügepartner in das jeweilige Gegenstück ist minimal. Idealerweise verhaken (in einer orthogonal zur radialen Richtung verlaufenden Ebene) sich die Strukturen der beiden Fügepartner lediglich miteinander. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Strukturierung eines der Fügepartner sich in die Oberfläche des anderen Fügepartners in radialer Richtung eingräbt und zu einer plastischen Verformung führt. Dies ist insbesondere vorgesehen, wenn die beiden Komponenten unterschiedliche Oberflächenhärten aufweisen. Die Strukturierung der Kontaktfläche kann insbesondere derart erfolgen bzw. erfolgt sein, dass die strukturierten Bereiche durch die Strukturierung gehärtet sind.
Graben sich die Aufwürfe der Strukturierung in die Gegenseite ein, so führt die rein radial gerichtete Pressbewegung dazu, dass das Eingraben ebenfalls in lediglich in radialer Richtung erfolgt und hierdurch ein Abtragen und/oder Verformen der Aufwürfe verhindert werden. Strukturbildende Teile wie beispielsweise die Aufwürfe oder auch die Täler zwischen den Aufwürfen bleiben auch bei wiederholtem Lösen und Fügen der Verbindung erhalten. Insbesondere findet kein Abtrag statt, bevor die endgültige axiale Position erreicht ist und anschließend die eigentliche Verkeilwirkung der Strukturierung nicht mehr voll genutzt werden kann.
Gemäß dem dritten und vierten Aspekt der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Schaffung einer Spannverbindung bzw. eine entsprechende Spannverbindung an sich vorgesehen. Bei der erfindungsgemäßen Schaffung der Spannverbindung weist diese eine axiale Richtung auf, entlang derer sich eine Rotationsachse der Spannverbindung erstreckt. Zur axialen Richtung orthogonal ausgerichtet ist eine radiale Richtung der Spannverbindung. Die Spannverbindung weist eine Aufnahme mit einer konischen radial einwärts orientierten Kontaktfläche auf. Damit ist jedoch nicht gemeint, dass die Kontaktfläche wie im Fall der Pressverbindungsanordnung streng orthogonal zur radialen Richtung angeordnet ist, vielmehr ist die Kontaktfläche vorliegend in der Form eines Abschnitts einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausgebildet. Die Spannverbindung umfasst weiter einen Schaftabschnitt, welcher insbesondere ein Werkzeugschaft sein kann, der eine konische radial auswärts orientierte Kontaktfläche aufweist. Die radial auswärts orientierte Kontaktfläche ist komplementär zur Kontaktfläche der Aufnahme ausgebildet. Das entsprechende Verfahren zur Bildung der Spannverbindung umfasst dabei die Schritte:

a) Bereitstellen der Aufnahme mit konischer radial einwärts orientierter Kontaktfläche;
b) Bereitstellen des Schaftabschnitts mit konischer radial auswärts orientierter Kontaktfläche;
c) Laserstrukturieren wenigstens der Kontaktfläche der Aufnahme, wobei eine Strukturierung mit zur Rotationsachse punktsymmetrischem (das bezieht sich auf einen Schnitt, der durch eine Ebene verläuft, die orthogonal zur Rotationsachse verläuft), insbesondere rotationssymmetrischem, Oberflächenprofil geschaffen wird. Die Laserstrukturierung umfasst insbesondere linienartige Erhebungen, die jeweils in einer durch die axiale Richtung und die radiale Richtung aufgespannten Ebene verlaufen;
d) Berührungsfreies Anordnen der Aufnahme und des Schaftabschnitts zueinander. Das Anordnen erfolgt, in der vorgesehenen radialen Relativposition. Mit anderen Worten die jeweiligen Komponenten, also Aufnahme und Schaftabschnitt werden in radialer Richtung nach dem berührungsfreien Anordnen in der vorgesehenen radialen Relativposition nicht mehr relativ zueinander bewegt. Anschließend wird in einem weiteren Schritt,
e) die Spannverbindung gefügt, wobei eine druckbelastete Kontaktierung der Kontaktflächen miteinander durch eine axial gerichtete Fügebewegung erfolgt.

Dadurch, dass die Fügebewegung rein axial gerichtet ist, werden die Kontaktflächen beim Fügen rein in axialer Richtung verpresst. Im gefügten Zustand fallen die Rotationsachsen des Schaftabschnitts der Aufnahme und der gefügten Spannverbindung zusammen. Beispielsweise kann zum Fügen der Schaftabschnitt in axialer Richtung in die Aufnahme hineingezogen bzw. geschoben werden. Die linienartigen Erhebungen der Strukturierung erstrecken sich, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise in einer Ebene, die durch radiale und axiale Richtung aufgespannt wird. Entsprechend werden die Erhebungen beim Fügen zwar nicht abgeschert und können sich ohne Abtrag in axialer Richtung in den Gegenpartner ggf. eingraben bzw. in dessen Oberfläche verkeilen. Die entsprechende Verbindung ist oft lösbar und modifiziert die Oberfläche der Fügepartner nur in geringem Maß.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem vierten Aspekt ist eine Spannverbindung, welche insbesondere ein Axial-Spannfutter betrifft. Die Spannverbindung weist eine axiale Richtung und eine entsprechend hierzu orthogonal angeordnete radiale Richtung auf. Die Spannverbindung umfasst eine Aufnahme mit radial einwärts orientierter konischer Kontaktfläche, die einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht, sowie einen Schaftabschnitt, mit radial auswärts orientierter konischer Kontaktfläche, die ebenfalls der Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht. Der Schaftabschnitt kann insbesondere ein Werkzeugschaft sein. Die radial auswärts orientierte Kontaktfläche des Werkzeugschaftabschnitts bzw. Werkzeugschafts ist komplementär zur Kontaktfläche der Aufnahme ausgebildet. Der Schaftabschnitt wurde durch axial gerichtete Verspannung gegenüber der Aufnahme verspannt. Die Spannverbindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die radial einwärts gerichtete Kontaktfläche der Aufnahme Laserstrukturiert ist. Dabei weist die Laserstrukturierung ein zur Rotationsachse, rotationssymmetrisches Profil auf. Insbesondere kann die Laserstrukturierung linienartige Strukturierungen umfassen. Diese verlaufen bevorzugt, wie beim vorab beschriebenen Verfahren, in einer durch die axiale und radiale Richtung aufgespannten Ebene.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt ist auch die Verwendung einer Pressverbindungsanordnung oder einer Spannverbindung gemäß einem der in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsarten, zur Übertragung von axialen Kräften sowie eines Drehmoments, wobei die axialen Kräfte sowie das Drehmoment eine resultierende Kraftrichtung definieren, wobei die Strukturierung Linien umfasst, die in einem Winkel zwischen 60° und 120°, insbesondere 70° und 110°, insbesondere 80° und 100°, insbesondere orthogonal, zur resultierende Kraftrichtung verlaufen, oder wobei die Strukturierung sich kreuzende Linien umfasst, die eine resultierende Angriffsfläche (Überlagerung der unterschiedlichen Richtungskomponenten der Linien, Winkel eines Linienabschnitts gewichtet mit dem Länge des Verlaufs in diesem Winkel) ergeben, die in einem Winkel zwischen 60° und 120°, insbesondere 70° und 110°, insbesondere 80° und 100°, insbesondere orthogonal, zur resultierende Kraftrichtung verlaufen.
Weitere Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt und in der Figurenbeschreibung erläutert.
In den Figuren zeigen:

1 Eine Pressverbindungsanordnung im zueinander angeordneten Zustand einer inneren und äußeren Komponente vor einem Fügevorgang beim Blick in axialer Richtung;
2 Die Pressverbindungsanordnung während dem Fügevorgang beim Blick in axialer Richtung;
3 Die Pressverbindungsanordnung im gefügten Zustand beim Blick in radialer Richtung;
4 Eine Illustration des Oberflächenprofils der inneren Komponente der Pressverbindungsanordnung;
5 Eine Aufnahme einer Spannverbindung;
6 Einen Schaftabschnitt einer Spannverbindung;
7 Die Aufnahme der Spannverbindung beim Blick in axialer Richtung;
8 Den Schaftabschnitt der Spannverbindung beim Blick in axialer Richtung;
9 Eine radial innere Komponente mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche mit einer Strukturierung mit sich kreuzenden Linien;
10 Eine radial innere Komponente mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche mit einer Strukturierung mit axial erstreckten Linien; und
11 Eine radial innere Komponente mit einer Pressverbindungsanordnung zur Übertragung eines Drehmoments und einer axialen Kraft, die eine resultierende Kraft definieren.

1 zeigt eine Pressverbindungsanordnung 10. Eine radiale Richtung trägt das Bezugszeichen R und eine umfängliche Richtung das Bezugszeichen U. Eine axiale Richtung ist in 3 mit dem Bezugszeichen A illustriert.
In dem in 1 gezeigten Zustand sind eine innere Komponente 16 und eine äußere Komponente 12 noch nicht miteinander gefügt. Die äußere Komponente 12 umfasst vier Teilabschnitte 14. Die Teilabschnitte 14 sind vorliegend als Spannfutterabschnitte 14 ausgebildet. Gemeinsam bilden die Spannfutterabschnitte 14 die äußere Komponente 12. Zentrisch zur als Spannfutter ausgebildeten äußeren Komponente 12 ist die im vorliegenden Beispiel als Werkzeugschaft ausgebildete innere Komponente 16 angeordnet. Eine Kontaktfläche 28 der inneren Komponente 16 ist im vorliegenden Beispiel strukturiert ausgebildet, während eine Kontaktfläche 30 der äußeren Komponente 12 im vorliegenden Beispiel unstrukturiert ausgebildet ist.
Die äußere Komponente 12 weist eine Rotationsachse 18 auf, die mit einer Rotationsachse 20 der inneren Komponente 16 zusammenfallend angeordnet ist. Zum Fügen und eigentlichen Schaffen der zur Kraftübertragung fähigen Pressverbindungsanordnung 10 werden die Abschnitte 14 der äußeren Komponente 12 radial einwärts bewegt, was durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 22 in 2 illustriert ist. Eine Rotationsachse 24 der Pressverbindungsanordnung 10 ist in 3 bildlich gezeigt. Die Fügebewegung 22 ist auf diese Rotationsachse 24 hin gerichtet.
4 illustriert das Oberflächenprofil der strukturierten inneren Komponente und zeigt einen Schnitt durch eine Ebene, die orthogonal zur Rotationsachse verläuft. Das Oberflächenprofil ist im vorliegenden Fall nicht nur punktsymmetrisch (in der Ebene, die orthogonal zur Rotationsachse verläuft) zur Rotationsachse 20 der inneren Komponente 16 ausgebildet, sondern rotationssymmetrisch zu dieser. Einzelne Erhebungen der Strukturierung tragen jeweils das Bezugszeichen 26. Ein effektiver Durchmesser ist durch das Bezugszeichen Deff gekennzeichnet. Das Bezugszeichen D_I illustriert den inneren Durchmesser der inneren Komponente 16, welcher dem Durchmesser der inneren Komponente 16 entspricht, welcher durch dessen Vollmaterial gebildet wird. Der innere Durchmesser muss nicht zwangsläufig punkt- oder rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Vielmehr ist die die Aufwürfe 26 umhüllende Oberfläche der inneren Komponente 16 wenigstens punktsymmetrisch, vorzugsweise jedoch rotationssymmetrisch, ausgebildet. Rotationssymmetrische Ausbildungen des Oberflächenprofils der inneren Komponente 16 ermöglichen ein winkelunabhängiges Einbringen der inneren Komponente 16 in die äußere Komponente 12. Bei einem nicht rotationssymmetrischen, jedoch punktsymmetrischen Oberflächenprofil, also einem in Umfangsrichtung sich unterscheidenden Deff, muss auf eine korrekte Ausrichtung von innerer Komponente 16 und äußerer Komponente 12, geachtet werden.
Zur Schaffung der Pressverbindungsanordnung 10 aus äußerer Komponente 12 und innerer Komponente 16 werden zunächst beide Komponenten bereitgestellt. Anschließend ist wenigstens eine der Kontaktflächen 28, 30 strukturiert. Im vorliegenden Beispiel wurde die Kontaktfläche 28 der inneren Komponente 16 strukturiert. Anschließend wurden die innere Komponente 16 und die äußere Komponente 12 in der vorgesehenen axialen Relativposition zueinander angeordnet. Im vorliegenden Beispiel wurden die beiden Komponenten auch derart zueinander angeordnet, dass ihre Rotationsachsen bereits im berührungsfreien Zustand aufeinander liegen. Diese Konfiguration ist in 1 dargestellt. Das Anordnen in der vorgesehenen axialen Relativposition findet dabei berührungsfrei statt, um eine Beschädigung der Strukturierung der Kontaktfläche 28 der inneren Komponente 16 zu vermeiden. Im Anschluss an die entsprechende Anordnung der beiden Komponenten zueinander, wurde die Pressverbindungsanordnung 10 gefügt. Beim Fügen erfolgt eine druckbelastende Kontaktierung der Kontaktflächen 28, 30 miteinander, wobei diese Kontaktierung durch eine rein radial gerichtete Fügebewegung erfolgt ist. Die Relativbewegung zwischen innerer Komponente 16 und äußerer Komponente 12 erfolgte also rein radial gerichtet. Im vorliegenden Beispiel wurde die innere Komponente 16 stationär gehalten und die Spannfutterabschnitte 14 der äußeren Komponente 12 jeweils gleichförmig radial einwärts bewegt. Die Spannfutterabschnitte 14 der äußeren Komponente 12 wurden dabei makroskopisch radial einwärts bewegt. Mit einer makroskopisch radial einwärts gerichteten Bewegung ist dabei eine Bewegung gemeint, die über einen mechanischen Verstellmechanismus die Spannfutterabschnitte 14 radial einwärts verschiebt. Eine derartige makroskopische Verschiebung geht über ein, beispielsweise durch rein thermisch bedingte Verformungsprozesse, Bewegungsspiel hinaus.
In 3 ist beispielhaft die Höhe H der Erhebungen 26 mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet. Die derartige Höhe ist vorzugsweise nach oben hin begrenzt. Beispielsweise hat sich als vorteilhaft für die Strukturierung eines Werkzeugschafts erwiesen, wenn die Höhe H einen Wert von 10 µm, insbesondere 7 µm, insbesondere 5 µm, nicht überschreitet. Diese mögliche Obergrenze gilt für sämtliche Aufwürfe der Oberflächenstrukturierung. Es hat sich gezeigt, dass eine derart niedrige Strukturierung besonders robust gegen Abtragung und Verformung ist.
In den 5 bis 8 ist eine Spannverbindung 40 bzw. deren einzelne Komponenten illustriert. Die Spannverbindung 40 wird von der Verwendung einer Aufnahme 42 mit radial einwärts orientierter und konisch ausgebildeter Kontaktfläche 44 geschaffen. Die Kontaktfläche 44 entspricht in ihrer Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs. In Zusammenwirkung mit der Aufnahme 42 ist zur Schaffung der Spannverbindung 40 die Verwendung eines Schaftabschnitts 46, der vorzugsweise als Werkzeugschaft ausgebildet ist, vorgesehen. Der Schaftabschnitt 46 weist eine radial auswärts orientierte konische Kontaktfläche 48 auf. Die beiden Kontaktflächen 44 und 48 sind komplementär zueinander ausgebildet.
Das Verfahren zur Schaffung der Spannverbindung 40 umfasst das Bereitstellen der Aufnahme 44 sowie des Schaftabschnitts 46. In einem weiteren Schritt wird wenigstens die Kontaktfläche 44 der Aufnahme laserstrukturiert. Dabei wird eine Strukturierung mit zu einer Rotationsachse 50 der Aufnahme 42 wenigstens punktsymmetrischem (das bezieht sich auf einen Schnitt, der durch eine Ebene verläuft, die orthogonal zur Rotationsachse verläuft), insbesondere jedoch rotationssymmetrischem, Oberflächenprofil geschaffen (die konisch ausgebildete Kontaktfläche 44 ist konisch rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 50 herum). Die Laserstrukturierung weist insbesondere linienförmige Erhebungen 54, die in 7 gezeigt sind, auf. Die radial auswärts orientierte konische Kontaktfläche 48 des Schaftabschnitts 46 ist konisch rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 52 des Schaftabschnitts 46 herum.
Im Anschluss an das Strukturieren der Oberfläche der Kontaktfläche 44 der Aufnahme 42 wird ein Schritt des berührungsfreien Anordnens der Aufnahme 42 und des Schaftabschnitts 46 zueinander durchgeführt. Dabei werden die Aufnahme 42 und der Schaftabschnitt 46 in der vorgesehenen radialen Relativposition zueinander angeordnet. Damit ist gemeint, dass im Anschluss an diese Anordnung keine Relativbewegung in radialer Richtung R der Aufnahme 42 und des Schaftabschnitts 46 zueinander mehr durchgeführt werden muss, um in die endgültige radiale Relativposition zu gelangen. Die Rotationsachse 52 des Schaftabschnitts 46 und die Rotationsachse 50 der Aufnahme 42 liegen aufeinander.
Im Anschluss daran wird die Spannverbindung 40 gefügt. Dabei wird eine druckbelastende Kontaktierung der Kontaktflächen 44 und 48 durch eine rein axial gerichtete Fügebewegung geschaffen. Die Kontaktflächen 44 und 48 werden beim Fügen also rein in axialer Richtung bewegt, verpresst und miteinander in Kontakt gebracht. Im gefügten Zustand sind die Rotationsachse 52 des Schaftabschnitts 46 und die Rotationsachse 50 der Aufnahme 42 mit der Rotationsachse der Spannverbindung an sich zusammenfallend angeordnet. Vorzugsweise weist die Spannverbindung 40 eine Verspanneinrichtung 58 auf, die beispielsweise an einem radial vorstehenden Vorsprung 56, welcher an dem Schaftabschnitt 46 angeordnet ist, angreifen kann. Beispielsweise kann dies durch ein oder mehrere Element(e) 60, welches sich von der Aufnahme 42 zum Vorsprung 56 erstreckt und diesen in die Aufnahme 42 hineinzieht, realisiert sein. Bspw. kann die Verspanneinrichtung 58 einen oder mehrere Hintergriffabschnitt 62 zum formschlüssigen hintergreifen radial vorstehenden Vorsprung 56 aufweist, über die der Schaftabschnitt 46 axial in die Aufnahme 42 spannbar ist. Hierdurch wird eine Verspannung zwischen Aufnahme 42 und Schaftabschnitt 46 zuverlässig realisiert und aufrechterhalten. Das Oberflächenprofil der axial und radial verlaufenden Erhebungen 54 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet.
9 zeigt eine radial innere Komponente 16 mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche 28 mit einer Strukturierung mit sich kreuzenden Linien 63. Diese Strukturierung ermöglicht eine vorteilhafte Aufnahme von Drehmomenten und axialen Zug oder Druckkräften. Die sich kreuzenden Linien 63 verlaufen dabei derart, dass die Linien einen Winkel 64 einschließen, der zwischen 75° und 105° beträgt.
10 zeigt eine radial innere Komponente 16 mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche 28 mit einer Strukturierung mit axial erstreckten Linien 63. Eine derartige Strukturierung eignet sich zur Aufnahme von Drehmomenten.
11 zeigt eine radial innere Komponente 16 mit einer Pressverbindungsanordnung zur Übertragung eines Drehmoments 68 und einer axialen Kraft 70, die eine resultierende Kraft 72 (projiziert auf die Kontaktfläche 28) definieren. Die radial innere Komponente 16 weist eine Strukturierung auf mit Linien 74, die orthogonal zur resultierenden Kraft 72 verlaufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011005408 A1 [0004]
DE 102009050626 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Schaffung einer Pressverbindungsanordnung (10) zweier Komponenten (12, 16) mit einer Rotationsachse (24), wobei sich die Rotationsachse (24) in einer axialen Richtung (A) der Pressverbindungsanordnung (10) erstreckt, und mit einer zur axialen Richtung (A) orthogonalen radialen Richtung (R) sowie einer Umfangsrichtung (U), die in einer durch die orthogonale und die radiale Richtung (R) aufgespannten Ebene verläuft, wobei die Pressverbindungsanordnung (10) durch Schaffung einer kraftschlüssigen Verbindung mittels Mikroformschluss zwischen einer radial inneren Komponente (16) mit einer radial außenliegenden Kontaktfläche (28) und einer radial äußeren Komponente (12) mit einer radial innenliegenden Kontaktfläche (30) erfolgt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen der inneren Komponente (16) mit axial erstreckter und radial außenliegender Kontaktfläche (28), die rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse (20) der inneren Komponente (16) ist; Bereitstellen der äußeren Komponente (12) mit axial erstreckter und radial innenliegender Kontaktfläche (30), die rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse (18) der äußeren Komponente (12) ist; Laserstrukturieren wenigstens einer der Kontaktflächen (28, 30), wobei eine Strukturierung mit zur jeweiligen Rotationsachse (18, 20) punktsymmetrischem Oberflächenprofil geschaffen wird; berührungsfreies Anordnen der inneren Komponente (16) und äußeren Komponente (12) zueinander in der vorgesehenen axialen Relativposition; Fügen der Pressverbindungsanordnung (10), wobei eine druckbelastete Kontaktierung der Kontaktflächen (28, 30) miteinander durch eine rein radial gerichtete Fügebewegung erfolgt, so dass die Kontaktflächen (28, 30) während des Fügens rein in radialer Richtung (R) verpresst werden, wobei im gefügten Zustand die Rotationsachse (20) der inneren Komponente (16) und die Rotationsachse (18) der äußeren Komponente (12) mit der Rotationsachse (24) der Pressverbindungsanordnung zusammenfallen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Laserstrukturieren der wenigstens einen Kontaktfläche (28, 30), eine Strukturierung mit zur jeweiligen Rotationsachse (18, 24) rotationssymmetrischem Oberflächenprofil geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Komponente (12) wenigstens zwei makroskopisch aufeinander zu bewegbare Teilabschnitte (14) umfasst, die nach dem berührungsfreien Anordnen der inneren Komponente (16) und der äußeren Komponente (12) zueinander in der vorgesehenen axialen Relativposition in radialer Richtung (R) aufeinander zu bewegt werden, um die Pressverbindungsanordnung (10) zu fügen.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die äußere Komponente (12) eine Spannvorrichtung ist, insbesondere ein Werkzeugspannsystem, ein Hydrodehnspannfutter, ein Backenfutter oder eine Spannzange.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die innere Komponente (16) ein Werkzeugschaft ist, insbesondere wobei die wenigstens eine Kontaktfläche (28), die durch Laserbearbeitung strukturiert ist, auf dem Werkzeugschaft angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strukturierung Aufwürfe umfasst, wobei die Höhe aller Aufwürfe der Strukturierung eine Höhe von 25 µm, insbesondere 20 µm, insbesondere 15 µm, insbesondere 10 µm, insbesondere 7 µm, insbesondere 5 µm nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strukturierung linienförmige Aufwürfe umfasst, wobei die linienförmigen Aufwürfe insbesondere in axialer Richtung (A) erstreckte Linien (66) sind.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strukturierung linienförmige Aufwürfe umfasst, wobei die linienförmigen Aufwürfe in sich kreuzenden Linien (63) verlaufen, insbesondere wobei die Linien einen Winkel (64) von 75° bis 105° einschließen.
Pressverbindungsanordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem der vorigen Ansprüche geschaffen wurde.
Verfahren zur Schaffung einer Spannverbindung (40) die eine axiale Richtung (A) entlang derer sich eine Rotationsachse der Spannverbindung (40) erstreckt, und eine hierzu orthogonale radiale Richtung aufweist, mit einer Aufnahme (42), die eine radial einwärts orientierte konische Kontaktfläche (44) aufweist, die der Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht, und mit einem Schaftabschnitt (46), insbesondere einem Werkzeugschaft, der eine radial auswärts orientierte konische Kontaktfläche (48) aufweist, die ebenfalls der Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht und komplementär zur Kontaktfläche (44) der Aufnahme (42) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen der Aufnahme (42) mit radial einwärts orientierter konischer Kontaktfläche (44), Bereitstellen des Schaftabschnitts (46) mit radial auswärts orientierter konischer Kontaktfläche (48), Laserstrukturieren wenigstens der Kontaktfläche (44) der Aufnahme (42), wobei eine Strukturierung mit zur Rotationsachse (50) der Aufnahme (42) punktsymmetrischem, insbesondere rotationssymmetrischem, Oberflächenprofil geschaffen wird, wobei die Laserstrukturierung insbesondere linienartige Erhebungen umfasst, die jeweils in einer durch die axiale Richtung (A) und die radiale Richtung (R) aufgespannten Ebene verlaufen, berührungsfreies Anordnen der Aufnahme (42) und des Schaftabschnitts (46) zueinander in der vorgesehenen radialen Relativposition, Fügen der Spannverbindung (40), wobei eine druckbelastete Kontaktierung der Kontaktflächen (44, 48) miteinander durch eine rein axial gerichtete Fügebewegung erfolgt, so dass die Kontaktflächen (44, 48) beim Fügen rein in axialer Richtung (A) verpresst werden, wobei im gefügten Zustand die Rotationsachse (52) des Schaftabschnitts (46) und die Rotationsachse (50) der Aufnahme (42) mit der Rotationsachse der Spannverbindung (40) zusammenfallen.
Spannverbindung (40), insbesondere Axial-Spannfutter, die eine axiale Richtung (A), und eine hierzu orthogonale radiale Richtung (R) aufweist, mit einer Aufnahme (42), die eine radial einwärts orientierte Kontaktfläche (44) aufweist, die der Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht, und mit einem Schaftabschnitt (46), insbesondere einem Werkzeugschaft, der eine radial auswärts orientierte Kontaktfläche (48) aufweist, die ebenfalls der Mantelfläche eines Kegelstumpfs entspricht und komplementär zur Kontaktfläche (44) der Aufnahme (42) ausgebildet ist, wobei der Schaftabschnitt (46) durch axial gerichtete Verspannung gegenüber der Aufnahme (42) verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radial einwärts gerichtete Kontaktfläche (44) der Aufnahme (42) laserstrukturiert ist, wobei die Laserstrukturierung ein zur Rotationsachse (50) rotationssymmetrisches Oberflächenprofil aufweist und insbesondere linienartige Erhebungen umfasst, die jeweils in einer durch die axiale Richtung (A) und die radiale Richtung (R) aufgespannten Ebene verlaufen.
Verwendung einer Pressverbindungsanordnung (10) oder einer Spannverbindung (40) gemäß einem der in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsarten, zur Übertragung von axialen Kräften sowie eines Drehmoments, wobei die axialen Kräfte gemeinsam mit dem Drehmoment eine resultierende Kraftrichtung definieren, wobei die Strukturierung Linien umfasst, die in einem Winkel zwischen 60° und 120°, insbesondere 70° und 110°, insbesondere 80° und 100°, insbesondere orthogonal, zur resultierende Kraftrichtung verlaufen, oder wobei die Strukturierung sich kreuzende Linien umfasst, die eine resultierende Angriffsfläche ergeben, die in einem Winkel zwischen 60° und 120°, insbesondere 70° und 110°, insbesondere 80° und 100°, insbesondere orthogonal, zur resultierende Kraftrichtung verlaufen.