-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Fügen eines Bauteils mittels Magnetimpulsschweißens. Des Weiteren zeigt die Erfindung ein entsprechendes Formwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
-
Der Stand der Technik kennt Magnetimpulsschweißen als ein Hochgeschwindigkeitspressschweißverfahren. Das Magnetimpulsschweißen wird auch als elektromagnetisches Pulsschweißen bezeichnet. Dabei wird ein Fügepartner durch Elektromagnetismus beschleunigt und dadurch auf den zweiten Fügepartner gepresst. Daher kommt es zur stoffschlüssigen Verbindung der beiden Fügepartner. Im Regelfall werden die beiden Fügepartner zum Magnetimpulsschweißen in eigens dafür vorgesehene Werkzeuge eingesetzt.
-
-
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Formen und Fügen eines Bauteils anzugeben, das einen möglichst schnellen und qualitativ hochwertigen Fertigungsprozess zum Urformen oder Umformen und anschließenden Fügen ermöglicht.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
-
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Formen und Fügen eines Bauteils. Das dabei entstehende fertige Bauteil setzt sich aus zumindest einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner zusammen. Bei dem Verfahren sind die folgenden Schritte vorgesehen:
- (i) Zunächst erfolgt das Formen des ersten Fügepartners in einem Formwerkzeug. Bei dem Formen handelt es sich um Urformen oder Umformen. Dementsprechend ist das Formwerkzeug als Urformwerkzeug, insbesondere Gusswerkzeug, oder Umformwerkzeug ausgebildet. Das Umformen erfolgt vorzugsweise mechanisch, also nicht mittels Magnetimpuls.
- (ii) Nach dem Formen erfolgt ein Einlegen des zweiten Fügepartners in das Formwerkzeug. Dabei verbleibt der erste Fügepartner in dem Formwerkzeug; wird somit nicht entnommen.
- (iii) Nach dem Einlegen des zweiten Fügepartners in das Formwerkzeug erfolgt ein Magnetimpulsschweißen der beiden Fügepartner. Das Magnetimpulsschweißen wird im Formwerkzeug durchgeführt, so dass im Formwerkzeug das aus den beiden Fügepartnern zusammengesetzte Bauteil entsteht. Während des Magnetimpulsschweißens wird mittels Elektromagnetismus einer der beiden Fügepartner auf den anderen Fügepartner beschleunigt. Der nicht beschleunigte Fügepartner sitzt dabei fest abgestützt im Formwerkzeug. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der nachträglich eingelegte zweite Fügepartner beschleunigt wird, wobei der erste im Formwerkzeug ursprünglich urgeformte oder umgeformte Fügepartner sich im Formwerkzeug abstützt.
-
In dem Formwerkzeug ist insbesondere eine Kavität vorgesehen. Sowohl beim Urformen als auch beim Umformen ist diese Kavität formgebend für den ersten Fügepartner. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Fügepartner eben in dieser Kavität verbleibt und abgestützt ist, während der zweite Fügepartner beim Magnetimpulsschweißen beschleunigt wird.
-
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Fügepartner nach dem Magnetimpulsschweißen zumindest in Teilbereichen seine durch die Urformung oder Umformung gegebene Form weiterhin aufweist. Besonders bevorzugt wird der erste Fügepartner durch das Magnetimpulsschweißen nicht oder annähernd nicht umgeformt. Dies wird insbesondere durch das Verbleiben des erste Fügepartners in seiner Kavität erreicht.
-
Grundsätzlich bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Fügepartner nach dem Urformen oder Umformen nicht in ein anderes Werkzeug zum Magnetimpulsschweißen eingelegt werden müssen. Das Formwerkzeug eignet sich aufgrund seiner stabilen Ausführung für die Aufnahme der Kräfte beim Magnetimpulsschweißen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Fügepartner aus unterschiedlichem Material gefertigt sind. Bevorzugt sind beide Fügepartner zumindest teilweise aus Metall.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Formwerkzeug nach dem Formen geöffnet wird und der zweite Fügepartner in das Formwerkzeug eingelegt wird. Nach dem Einlegen des zweiten Fügepartners wird das Formwerkzeug besonders bevorzugt wieder vollständig oder teilweise geschlossen, bevor dann das Magnetimpulsschweißen durchgeführt wird.
-
Das Formwerkzeug umfasst vorzugsweise zumindest zwei Formhälften. Im Regelfall ist eine Formhälfte fest positioniert, wobei die andere Formhälfte geöffnet und geschlossen werden kann. Darüber hinaus umfasst das Formwerkzeug vorzugsweise zumindest eine „Komponente“. Unter „Komponente“ des Formwerkzeugs sind bewegliche Teile des Formwerkzeugs zu verstehen, beispielsweise Schieber oder Kernzüge. Das hier vorgesehene Öffnen und Schließen des Formwerkzeugs beschreibt insbesondere ein Öffnen und/oder Schließen einer Formhälfte und/oder einer Komponente des Formwerkzeugs. So kann es beispielsweise ausreichen, lediglich einen Schieber des Formwerkzeugs zu öffnen, um den zweiten Fügepartner an entsprechender Stelle einzusetzen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Fügepartner im Formwerkzeug durch das Formwerkzeug selbst positioniert ist. Nach dem Formen des ersten Fügepartners wird der zweite Fügepartner in das Formwerkzeug eingelegt. Dabei kann der zweite Fügepartner durch das Formwerkzeug, beispielsweise einen Bereich einer Formhälfte oder eine Komponente des Formwerkzeugs, in der gewünschten Position positioniert werden. Dementsprechend liegt dann dieser Bereich der Formhälfte oder die entsprechende Komponente des Formwerkzeugs am zweiten Fügepartner an.
-
Des Weiteren ist es möglich, dass eine vom Formwerkzeug unabhängige Haltevorrichtung den zweiten Fügepartner im Formwerkzeug positioniert. Solch eine Haltevorrichtung ist beispielsweise ein Roboterarm oder sonstiger Bewegungsaktor. So ist es möglich, dass unmittelbar vor dem Auslösen des Magnetimpulsschweißens und gegebenenfalls auch währenddessen die Haltevorrichtung den zweiten Fügepartner in dem Formwerkzeug hält und entsprechend positioniert. Dabei kann die Haltevorrichtung den zweiten Fügepartner auch gegen einen Bereich einer Formhälfte oder eine Komponente des Formwerkzeugs drücken, um dadurch den zweiten Fügepartner an der gewünschten Stelle zu positionieren.
-
Unabhängig davon, wie der zweite Fügepartner im Formwerkzeug positioniert ist, kann vorgesehen sein, dass sich der zweite Fügepartner teilweise oder vollständig aus dieser Positionierung löst, wenn der Magnetimpuls zum Verschweißen ausgelöst wird.
-
Insbesondere sind zwei Varianten zu unterscheiden. Gemäß einer Variante ist vorgesehen, dass beim Auslösen des Magnetimpulses, also beim Magnetimpulsschweißen, ein erster Teilbereich des zu beschleunigenden Fügepartners derart fixiert ist, dass er (erster Teilbereich) nicht beschleunigt wird und ein zweiter Teilbereich beschleunigt wird und dabei relativ zum ersten Teilbereich umgeformt wird.
-
Gemäß der zweiten Variante ist bevorzugt vorgesehen, dass der zu beschleunigende Fügepartner so angeordnet ist, dass der gesamte Fügepartner beschleunigt wird; dabei löst sich der zu beschleunigende Fügepartner aus seiner Positionierung.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Bauteil nach dem Magnetimpulsschweißen aus dem Werkzeug ausgeworfen wird. Dies erfolgt insbesondere unter Benutzung eines Magnetimpulses, wobei dieselbe oder eine oder mehrere andere Spulen wie für das Magnetimpulsschweißen verwendet wird.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass in dem Formwerkzeug zumindest eine Spule für das Magnetimpulsschweißen angeordnet bzw. integriert ist. Insbesondere weist das Formwerkzeug eine Formplatte auf. In diese Formplatte ist vorzugsweise die Spule integriert.
-
Alternativ oder zusätzlich zum Anordnen der Spule im Formwerkzeug ist vorgesehen, dass zumindest eine Spule für das Magnetimpulsschweißen mittels einer Zusatzvorrichtung nach dem Formen in den Bereich des Formwerkzeugs eingebracht wird. Diese Zusatzvorrichtung kann beispielsweise ein Roboterarm oder sonstiger Bewegungsaktor sein, der die Spule in den Bereich des Formwerkzeugs, insbesondere zwischen die beiden Formhälften, einbringt.
-
Die Erfindung umfasst ferner ein Formwerkzeug. Das Formwerkzeug ist insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Bei dem Formwerkzeug handelt es sich um ein Urformwerkzeug oder Umformwerkzeug. Das Formwerkzeug umfasst zumindest eine Spule. Die Spule ist im Formwerkzeug integriert und ist zum Magnetimpulsschweißen ausgebildet.
-
Besonders bevorzugt umfasst das Formwerkzeug eine Formplatte in einer Formhälfte des Formwerkzeugs. Die Formplatte weist insbesondere die Kavität zum Urformen oder Umformen des ersten Fügepartners auf. Alternativ können in die Formplatte einzelne Elemente eingesetzt sein, die wiederum die Kavität bilden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Formplatte direkt oder mittels einer Zwischenplatte mit einer Aufspannplatte des Formwerkzeugs verbunden ist.
-
Besonders bevorzugt weist das Formwerkzeug, insbesondere die Formplatte, eine formseitige Aussparung auf. Die Aussparung kann auch als Tasche bezeichnet werden. Die Aussparung ist „formseitig“ und somit der gegenüberliegenden Formhälfte zugewandt. In der Aussparung befindet sich die Spule. Dadurch ist die Spule unmittelbar benachbart zu dem ur- oder umgeformten ersten Fügepartner angeordnet.
-
Vorzugsweise ist die Aussparung formseitig mit einem elektrischen Isolator verschlossen. Beispielsweise wird hier eine Keramik als Isolator verwendet.
-
Die Spule weist vorzugsweise lediglich eine Windung auf. So handelt es sich beispielsweise um einen ringförmigen Kupferleiter mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern. Auch eine Spule mit mehreren Windungen kann verwendet werden.
-
Die Formplatte kann zumindest einen Temperierkanal aufweisen. Die Spule ist vorzugsweise formseitig des Temperierkanals angeordnet. Dadurch ist die Spule näher an der Kavität bzw. an dem ersten Fügepartner als die Temperierkanäle.
-
Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung mit dem beschriebenen Formwerkzeug. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus einen Impulsgenerator, der elektrisch leitend mit der Spule verbunden ist. Mittels des Impulsgenerators ist der elektromagnetische Impuls zum Magnetimpulsschweißen erzeugbar.
-
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 bis 3 eine rein schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Variante zum erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
- 5 eine Formplatte des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Im Folgenden wird anhand der schematischen Darstellungen in den 1 bis 3 das erfindungsgemäße Verfahren zum Formen und Fügen eines Bauteils im Detail beschrieben.
-
Das dabei verwendete Formwerkzeug 1 umfasst eine feste Formhälfte 2 und mindestens eine bewegliche Formhälfte 3. Beide Formhälften 2, 3 umfassen jeweils eine Formplatte 4 mit Temperierkanälen 6. Die Formplatten 4 sind jeweils auf einer Aufspannplatte 5 angeordnet. Wie am Beispiel der festen Formhälfte 2 gezeigt, kann sich zwischen Formplatte 4 und Aufspannplatte 5 eine Zwischenplatte befinden.
-
In zumindest einer der beiden Formplatten 4 ist eine Kavität 20 (siehe 5) vorgesehen. Diese Kavität 20 bestimmt die Formgebung eines ersten Fügepartners 11, der im Formwerkzeug 1 urgeformt oder umgeformt wird.
-
Ferner umfasst das Formwerkzeug 1 eine Spule 7, die in die Formplatte 4 der festen Formhälfte 2 integriert ist.
-
Die Spule 7 ist über Kabel 9 mit einem Impulsgenerator 10 zur Durchführung von Magnetimpulsschweißen verbunden. Die Kombination aus Impulsgenerator 10 mit dem gezeigten Formwerkzeug 1 wird als Vorrichtung 8 bezeichnet.
-
5 zeigt im Detail, wie die Spule 7 in die Formplatte 4 integriert ist. Die Formplatte 4 weist eine Aussparung 21 auf. Die taschenförmige Aussparung 21 ist formseitig, also in Richtung der beweglichen Formhälfte 3, offen. Die offene Seite der Aussparung 21 ist mittels eines Isolators 22 verschlossen. In der Aussparung 21 sitzt die Spule 7, hier ausgebildet als Spule mit nur einer Windung.
-
Gemäß der schematischen Darstellung in 1 erfolgt bei geschlossenem Formwerkzeug 1 zunächst das Urformen oder Umformen des ersten Fügepartners 11. Das Formwerkzeug 1 kann bewegliche Komponenten 15, beispielsweise Schieber oder Kernzüge, aufweisen, die hier nur rein schematisch dargestellt sind.
-
Nach dem Formen des ersten Fügepartners 11 wird gemäß 2 das Formwerkzeug 1 geöffnet. Der geformte erste Fügepartner 11 verbleibt in der Kavität 20 und somit im Formwerkzeug 1.
-
Mittels einer Haltevorrichtung 14 wird ein zweiter Fügepartner 12 zwischen die beiden Formhälften 2, 3 eingebracht.
-
Gemäß 3 wird nach dem Einbringen des zweiten Fügepartners 12 das Formwerkzeug 1 vollständig oder teilweise geschlossen. Dabei verbleibt der erste Fügepartner 11 in seiner Kavität 20. Der zweite Fügepartner 12 wird entsprechend positioniert und fixiert. Der zweite Fügepartner 12 kann nach dem Einbringen weiterhin durch die Haltevorrichtung 14 positioniert sein. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, durch Schließen des Formwerkzeugs 1 oder durch Bewegen einer Komponente 15 den zweiten Fügepartner 12 im Formwerkzeug 1 zu positionieren und an gewünschter Stelle zu fixieren. Daraufhin wird der magnetische Impuls ausgelöst, wodurch der zweite Fügepartner 12 in Richtung des ersten Fügepartners 11 beschleunigt wird. Durch den Aufprall kommt es hierbei zum Verschweißen der beiden Fügepartner 11, 12.
-
Im Anschluss kann das Formwerkzeug 1 geöffnet werden. Der Ausstoß erfolgt vorzugsweise ebenfalls durch einen magnetischen Impuls mittels derselben Spule 7 oder durch hydraulisch oder elektrisch verfahrbare Stifte, welche das Bauteil herausdrücken.
-
4 zeigt eine Alternative, wobei hier zum Magnetimpulsschweißen eine Spule 7 mittels einer Zusatzvorrichtung 13 eingebracht wird. Die Zusatzvorrichtung 13 ist unabhängig vom Formwerkzeug 1. So kann mit einem beliebigen Aktuator eine Spule 7 an die gewünschte Stelle für das Magnetimpulsschweißen gebracht werden. Die Spule 7 an der Zusatzvorrichtung 13 kann alternativ oder zusätzlich zur Spule 7 im Formwerkzeug 1 verwendet werden.
-
Auch bei dieser alternativen Methode mit der Zusatzvorrichtung 13 verbleibt der erste Fügepartner 11 in seiner Kavität im Formwerkzeug 1 und ist somit entsprechend gut abgestützt während der Impuls ausgelöst wird.
-
Die vorliegende Erfindung zeigt die Zusammenführung des Fügeprozesses und Ur-/Umformprozesses durch Integration des Magnetimpulsschweißens in das Formwerkzeug. Dies ermöglicht insbesondere ein Verschweißen von Gusslegierungen mit Knetlegierungen oder anderen Metallen bei Raum- oder Gussprozesstemperatur. Durch Nutzung der relativ großen Masse und Schließkraft der Urformanlagen bzw. Umformanlagen können die entstehenden Kräfte beim Magnetimpulsschweißen sehr gut aufgenommen werden.
-
So ergibt sich ein Zeit- und Kosteneinsparpotential, da für den nachgeschalteten Fügeprozess keine eigenen Anlagen nötig sind. Weiteres Einsparpotential ergibt sich vor diesem Hintergrund in Form von geringerem und zum Teil entfallendem Handling-, Positionier- und Spannaufwand bzw. logistischem Aufwand.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Formwerkzeug
- 2
- feste Formhälfte
- 3
- bewegliche Formhälfte
- 4
- Formplatte
- 5
- Aufspannplatte
- 6
- Temperierkanal
- 7
- Spule
- 8
- Vorrichtung
- 9
- Kabel
- 10
- Impulsgenerator
- 11
- erster Fügepartner
- 12
- zweiter Fügepartner
- 13
- Zusatzvorrichtung
- 14
- Haltevorrichtung
- 15
- Komponente
- 20
- Kavität
- 21
- Aussparung
- 22
- Isolator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011010216 A1 [0003]
- US 7614151 B2 [0003]
- US 6493920 B1 [0003]
