DE102020207615A1

DE102020207615A1 - Verfahren zur umformenden Herstellung einer geschlossenen Hohlwelle mit reibgeschweißtem Dichtstift

Info

Publication number: DE102020207615A1
Application number: DE102020207615.4A
Authority: DE
Inventors: Sönke Rüsch; Martin Jablonski
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CN113814551A; CN113814551B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformenden Herstellung einer zumindest einseitig geschlossenen Hohlwelle (200), mit den Schritten:- Bereitstellen eines metallischen Rohres;- radiales Umformen (U) des Rohres zu einer Hohlwelle (200), welche mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim radialen Umformen (U) das Metallmaterial (M) an wenigstens einem Ende (210) der Hohlwelle (200) in radialer Richtung auf einen in das betreffende Ende (210) eingeführten Metallstift (300) geformt wird und dass dann durch relative Drehbewegung zwischen der Hohlwelle (200) und dem Metallstift (300) ein Reibschweißvorgang erfolgt, wobei der Metallstift (300) abdichtend im Ende (210) der Hohlwelle (200) fixiert wird.Die Erfindung betrifft ferner eine verfahrensgemäß hergestellte Hohlwelle (200), bei der es sich insbesondere um eine Getriebe- oder Rotorwelle handelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformenden Herstellung einer zumindest einseitig geschlossenen Hohlwelle. Die Erfindung betrifft ferner eine verfahrengemäß hergestellte Hohlwelle, wobei es sich insbesondere um eine Getriebewelle oder Rotorwelle handelt.
Die DE 197 25 453 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle (20) mit einem geschlossenen Ende (31) aus einem Rohr (10) durch Drückwalzen, wozu ein im Inneren des Rohres bzw. Werkstücks angeordnetes Drückwerkzeug (51) verwendet wird. Nach dem Entfernen des Drückwerkzeugs (51) kann zumindest ein Ende des Rohres weiter eingezogen und geschlossen werden. D. h., das Werkstück wird in zumindest einem außenliegenden Bereich so weit umgeformt, dass ein geschlossenes Ende entsteht, sodass keine Fremdstoffe eindringen können.
Zum Stand der Technik wird ferner hingewiesen auf das in der DE 10 2007 053 551 A1 beschriebene Verfahren zu Querschnittsveränderungen an Hohlteilen, wie bspw. Antriebswellen, Zwischenwellen, Nockenwellen und dergleichen, wobei das Hohlteil bzw. die Hohlwelle auch partiell komplett verschlossen werden kann.
Zum Stand der Technik wird ferner noch hingewiesen auf die deutsche Patentanmeldung 10 2020 200 853.1 , die ein Verfahren zur umformenden Herstellung einer zumindest einseitig geschlossenen Hohlwelle beschreibt, wobei eine beim Umformen erzeugte Restöffnung mit einer Vergussmasse verschlossen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 wird nun ein weiteres, äußerst wirtschaftliches Verfahren zur umformenden Herstellung einer zumindest einseitig geschlossenen bzw. an zumindest einem axialen Ende verschlossenen Hohlwelle vorgestellt, welches gegenüber den vorbekannten Verfahren diverse Vorteile aufweist. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hohlwelle. Zusätzliche Merkmale der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines metallischen, d. h. aus Metallmaterial gebildeten, Rohres, vorzugsweise aus Stahlmaterial (Stahlrohr), wobei es sich insbesondere um ein von einem entsprechenden Rohrhalbzeug abgetrenntes Rohrstück handelt;
- radiales Umformen des Rohres zu einer Hohlwelle, welche mehrere Abschnitte (axiale Wellenabschnitte) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist (wie bspw. in der DE 197 25 453 C2 gezeigt).

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim radialen Umformen das Metallmaterial an wenigstens einem (axialen) Ende der Hohlwelle in radialer Richtung auf einen in das (betreffende) Ende eingeführten Metallstift geformt wird und dass dann durch relative Drehbewegung zwischen der Hohlwelle und dem Metallstift ein Reibschweißvorgang erfolgt, infolge dessen der Metallstift (durch stoffschlüssige Verbindung) im (betreffenden) Ende der Hohlwelle fixiert wird und das Ende der Hohlwelle abdichtet.
Die Erfindung sieht also vor, dass das zumindest eine zu verschließende (axiale) Ende der Hohlwelle beim radialen Umformen im Durchmesser so weit reduziert bzw. in radialer Richtung so weit umgeformt wird, bis das Metallmaterial auf einen im betreffenden Ende der Hohlwelle angeordneten Metallstift gedrückt bzw. gepresst wird, welcher dann im Weiteren durch relative Rotation mit der Hohlwelle reibverschweißt bzw. in das Hohlwellenende eingeschweißt wird, sodass auf diese Weise das betreffende Ende der Hohlwelle abgedichtet ist. Dabei wird bevorzugt eine öldichte und insbesondere eine gasdichte Abdichtung erreicht. Der Metallstift kann daher auch als Dichtstift bezeichnet werden. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass durch bloßes radiales Umformen mit vertretbarem Aufwand häufig keine Öldichtheit bzw. Gasdichtheit erreicht werden kann, sondern stattdessen eine winzige Restöffnung verbleibt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Umformkräfte vergleichsweise gering (da in radialer Richtung nur bis zum Stiftdurchmesser umgeformt wird), sodass auch besonders wirtschaftliche radiale Umformverfahren (s. u.) angewendet werden können. Zudem wird, wie bevorzugt auch vorgesehen, ein radiales Umformen ohne Dorn und/oder ein radiales Umformen ohne Veränderung der Wanddicke bzw. mit gleichbleibender Wanddicke ermöglicht (s. u.). Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren energie- und ressourcenschonend (nahezu kein Materialverlust).
Der Metallstift bzw. Dichtstift weist bevorzugt einen Rundquerschnitt (Vollquerschnitt) mit einem Durchmesser von 1 mm bis 3 mm auf. Bevorzugt ergibt sich die Reibverschweißung infolge entstehender Reibungswärme, wobei prinzipiell aber auch eine Kaltverschweißung erfolgen kann. Es können flüssige oder feste Hilfsstoffe verwendet werden, die das Verschweißen begünstigen und hierzu bevorzugt auf den Metallstift aufgetragen werden oder bereits aufgetragen sind. Alternativ kann für das radiale Umformen ein fester oder flüssiger Schmierstoff oder dergleichen verwendet werden, der zugleich das Verschweißen begünstigt.
Der Metallstift ist insbesondere aus einem Stahlmaterial oder Aluminiummaterial gebildet. Bevorzugt sind das Material des Metallstifts und das Metallmaterial des Rohres bzw. der Hohlwelle aufeinander abgestimmt, um eine optimale Reibverschweißung zu ermöglichen. Insbesondere sind das Metallstiftmaterial und das Hohlwellenmaterial identisch.
Die relative Dreh- bzw. Rotationsbewegung zwischen der Hohlwelle und dem Metallstift kann durch Drehen der Hohlwelle und/oder durch Drehen des Metallstifts erfolgen, wobei auch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten bzw. Umdrehungszahlen oder eine besonders effektive gegensinnige Drehbewegung der Hohlwelle und des Metallstifts vorgesehen sein kann. Bevorzugt wird eine beim radialen Umformen ohnehin vorgesehene Drehbewegung des Rohres bzw. der Hohlwelle genutzt (s. u.). Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Metallstift an seinem aus der Hohlwelle herausragenden Ende in einem Spannfutter oder dergleichen eingespannt wird, um diesen je nach dem mithilfe des Spannfutters drehen zu können oder gegen Verdrehung zu sichern. Zum Einspannen in ein solches Spannfutter kann der Metallstift an seinem betreffenden axialen Ende mit einem Schaft (Einspannabschnitt) ausgebildet sein.
Der in das Hohlwellenende eingeschweißte Metallstift kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt abgetrennt werden, sodass dieser bspw. flächenbündig mit der Stirnseite der Hohlwelle abschließt. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Metallstift nach dem Reibschweißvorgang durch eine fortgesetzte bzw. infolge einer fortgesetzten Drehbewegung (der Hohlwelle und/oder des Metallstifts) abgeschert bzw. durch Torsionsbelastung abgerissen wird. Der Metallstift kann mit einer Sollbruchstelle, bspw. einer Kerbe, ausgebildet sein, an der ein definiertes abscheren erfolgt.
Der Metallstift kann bereits vor dem radialen Umformen bzw. vor Beginn des radialen Umformvorgangs in das betreffende Ende des metallischen Rohres eingebracht werden, insbesondere derart, dass sich der Metallstift mit einem Ende konzentrisch im Rohr befindet und mit dem anderen Ende (in axialer Richtung) aus der Rohr herausragt (s. o.). In analoger Weise kann der Metallstift aber auch erst beim radialen Umformen bzw. während des radialen Umformvorgangs in das betreffende Ende der Hohlwelle eingebracht bzw. eingeführt werden, insbesondere dann, wenn das Hohlwellende auf einen vorgegebenen Innendurchmesser (von bspw. 8 mm, 10 mm oder 12 mm) reduziert ist.
Unter einem radialen Umformen wird verstanden, dass beim Umformen des Rohres zur Hohlwelle die Kraftaufbringung im Wesentlichen in radialer Richtung erfolgt und dadurch das Metallmaterial im Wesentlichen in radialer Richtung, insbesondere nach radial innen, umgeformt wird. Bevorzugt erfolgt das radiale Umformen kalt, d. h. mit Raumtemperatur, wobei auch vorgesehen sein kann, dass das Rohr im erwärmten Zustand umgeformt wird.
Bevorzugt erfolgt das radiale Umformen durch Radialschmieden. Beim Radialschmieden dreht sich das umzuformende Werkstück (Rohr bzw. Hohlwelle) relativ zu radial oszillierenden Schmiedehämmern (im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur verwiesen). Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass der Metallstift (bspw. mittels Spannfutter) festgehalten wird und nicht mitdreht. Das radiale Umformen kann auch durch Rundkneten erfolgen. Beim Rundkneten rotieren radial oszillierende Knetbacken um das Werkstück (Rohr bzw. Hohlwelle) herum (im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur verwiesen). Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass der Metallstift (bspw. mittels Spannfutter) zusammen mit den Radialknetbacken, insbesondere in einer synchronen Drehbewegung, relativ zur nicht mitdrehenden Hohlwelle gedreht wird. Durch Radialschmieden oder Rundkneten gelingt auch ein Umformen mit gleichbleibender Wanddicke (s. o.).
Das radiale Umformen, insbesondere das Radialschmieden oder Rundkneten, erfolgt insbesondere ohne Dorn bzw. Innenwerkzeug, also dornlos bzw. dornfrei. Gleichwohl kann auch die Verwendung eines Dorns vorgesehen sein. Bevorzugt wird das betreffende bzw. zu verschließende Ende der Hohlwelle beim radialen Umformen im Durchmesser so reduziert, dass ein massiver zapfenartiger Endabschnitt entsteht (siehe Figuren).
Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hohlwelle, wobei dies insbesondere eine Getriebewelle (für ein Fahrzeuggetriebe) oder eine Rotorwelle (für einen elektrischen Fahrzeugmotor bzw. -generator) ist, zeichnet sich dadurch aus, dass diese mittels radialem Umformen hergestellte Hohlwelle mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern (Außendurchmessern) aufweist und zumindest an einem Ende im Durchmesser reduziert und durch einen reibverschweißten bzw. in das Hohlwellenende eingeschweißten Metallstift verschlossen ist (wie vorausgehend erläutert). Mit anderen Worten: Diese Hohlwelle ist zumindest an einem Ende im Durchmesser so reduziert, dass (nur noch) eine dünne Restöffnung vorhanden ist, wobei diese Restöffnung mit einem reibverschweißten Metallstift bzw. metallischen Dichtstift verschlossen ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog zum erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnittdarstellung ein Rohr für die Herstellung einer Hohlwelle.
2 veranschaulicht in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnittdarstellung das radiale Umformen des Rohres aus 1 zu einer Hohlwelle und das Verschließen des Hohlwellenendes mit einem Metallstift.
3 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnittdarstellung die aus dem Rohr der 1 hergestellte Hohlwelle mit einem verschlossenen Hohlwellenende.
4 veranschaulicht eine mögliche Prozesskette zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß 3.

1 zeigt ein nur teilweise dargestelltes Metallrohr 100. Aus dem Rohr 100 wird durch radiales Umformen eine mehrere axiale Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern (Außendurchmessern) aufweisende Hohlwelle 200 hergestellt, wie in 2 veranschaulicht, wobei auch die Hohlwelle 200 nur teilweise dargestellt ist. Vor dem radialen Umformen wird im gezeigten (rechten) Ende des Rohres 100 ein Metallstift 300 angeordnet, sodass sich dieser konzentrisch im Rohrende befindet und aus dem Rohr 100 herausragt. Das herausragende Ende des Metallstifts 300 wird in einem Spannfutter 400 oder dergleichen eingespannt. Der Metallstift 300 ist mit einer Sollbruchstelle 310 ausgebildet.
Beim radialen Umformen U wird das gezeigte (rechte) Ende 210 der Hohlwelle 200 im Durchmesser sukzessive (d. h. in vielen kleinen Einzelschritten) reduziert, wobei ein massiver zapfenartiger Endabschnitt geformt wird. Dabei wird das Metallmaterial M (des Rohres bzw. der Hohlwelle) in radialer Richtung auf den Metallstift 300 geformt. D. h., der Innenquerschnitt des Hohlwellenendes 210 wird sukzessive verengt, bis schließlich das Metallmaterial M den Metallstift 300 eng umschließt.
Die Hohlwelle 200 führt beim radialen Umformen U, wobei es sich insbesondere um ein Radialschmieden handelt (oder gegebenenfalls auch um ein Rundkneten; s. o.), eine Drehbewegung bzw. Rotation R aus, wobei der Metallstift 300 mit dem Spannfutter 400 festgehalten wird und nicht mitdreht (alternative Verfahrensmöglichkeiten, wie bspw. ein gegensinniges Drehen des Metallstifts 300, sind oben erläutert). Infolge des Kontakts und der relativen Drehbewegung bzw. Relativdrehbewegung zwischen der Hohlwelle 200 und dem Metallstift 300 kommt es zur Reibung. Durch die entstehende Reibungswärme sowie durch den radialen Druck (bzw. durch die Flächenpressung) den das Metallmaterial M auf den Metallstift 300 ausübt, wobei insbesondere eine weitere radiale Umformung U bzw. Verengung erfolgt und dadurch der radiale Druck und die Reibung ansteigen, erfolgt ein Reibschweißvorgang, wobei der Metallstift 300 quasi in das Hohlwellenende 210 eingeschweißt wird und dadurch das Hohlwellende 210 abgedichtet ist. Das radiale Umformen U und endseitige Abdichten der Hohlwelle 200 erfolgen quasi in einem Verfahrens- bzw. Arbeitsschritt. Dabei wird bevorzugt eine öldichte und insbesondere eine gasdichte (auch druckluftdichte) Abdichtung erreicht.
Nach dem Reibschweißvorgang wird der Metallstift 300 durch eine fortgesetzte Drehbewegung R an der Sollbruchstelle 310 abgeschert. Das andere Ende der Hohlwelle 200 kann offen bleiben oder in gleicher Weise geschlossen werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Länge des Metallstifts 300 so bemessen, dass der zapfenartige Endabschnitt 210 der Hohlwelle 200 ganz durchragt wird.
Die gesamte Prozesskette zur Herstellung einer derart endseitig verschlossenen Hohlwelle 200 kann, wie in 4 veranschaulicht, folgende Schritte umfassen:

[10] Bereitstellen des Rohres (100);
[20] radiales Umformen (U) des Rohres (100) zur Hohlwelle (200), insbesondere durch Radialschmieden oder Rundkneten, wobei zumindest ein axiales Ende (210) der Hohlwelle (200) mittels reibverschweißtem bzw. eingeschweißtem Metallstift (300) verschlossen wird (optional kann hierbei auch wenigstens eine Verzahnung durch Umformen, insbesondere durch radiales Umformen, erzeugt werden);
[30] gegebenenfalls spanabhebendes Nachbearbeiten der Hohlwelle (200) - optional kann auch hierbei noch wenigstens eine Verzahnung durch spanendes Bearbeiten erzeugt werden;
[40] Härten der Hohlwelle (200), insbesondere bei einer Getriebewelle;
[50] spanabhebendes Hartbearbeiten der gehärteten Hohlwelle (200), insbesondere bei einer Getriebewelle;
[60] gegebenenfalls Reinigen der Hohlwelle (200).

Bezugszeichenliste

10: Schritt
20: Schritt
30: Schritt
40: Schritt
50: Schritt
60: Schritt
100: Rohr
200: Hohlwelle
210: Ende (Hohlwellende)
300: Metallstift
300': Abfallstück
310: Sollbruchstelle
400: Einspannung (Spannfutter)
M: Metallmaterial (Rohr)
R: Rotation, Drehbewegung
U: radiales Umformen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19725453 C2 [0002, 0006]
DE 102007053551 A1 [0003]
DE 102020200853 [0004]

Claims

Verfahren zur umformenden Herstellung einer zumindest einseitig geschlossenen Hohlwelle (200), mit den Schritten: - Bereitstellen eines metallischen Rohres (100); - radiales Umformen (U) des Rohres (100) zu einer Hohlwelle (200), welche mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass beim radialen Umformen (U) das Metallmaterial (M) an wenigstens einem Ende (210) der Hohlwelle (200) in radialer Richtung auf einen in das Ende (210) eingeführten Metallstift (300) geformt wird und dass dann durch relative Drehbewegung zwischen der Hohlwelle (200) und dem Metallstift (300) ein Reibschweißvorgang erfolgt, wobei der Metallstift (300) abdichtend im Ende (210) der Hohlwelle (200) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) nach dem Reibschweißvorgang durch eine fortgesetzte Drehbewegung abgeschert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) mit einer Sollbruchstelle (310) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) bereits vor dem radialen Umformen (U) in das Ende (210) des metallischen Rohres (100) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) während des radialen Umformens (U) in das Ende (210) der Hohlwelle (200) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) an einem aus dem Rohr (100) bzw. der Hohlwelle (200) herausragenden Ende in einem Spannfutter (400) eingespannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) einen Rundquerschnitt mit einem Durchmesser von 1 mm bis 3 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstift (300) aus einem Stahlmaterial oder einem Aluminiummaterial gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Umformen (U) durch Radialschmieden oder Rundkneten erfolgt.
Hohlwelle (200), insbesondere Getriebewelle oder Rotorwelle, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese mittels radialem Umformen (U) hergestellte Hohlwelle (200) mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist und zumindest an einem Ende (210) im Durchmesser reduziert und durch einen reibverschweißten Metallstift (300) verschlossen ist.