DE102021003651A1

DE102021003651A1 - Reibwerkzeug zum Reibumformen

Info

Publication number: DE102021003651A1
Application number: DE102021003651.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schweizer; Christoph Burger; Michael Werle
Original assignee: Daimler Truck AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2023-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reibwerkzeug (1) zum Reibumformen eines Kopfbereichs (2) eines aus einem Metall ausgebildeten zylindrischen Bolzens (3) zu einem Bolzenkopf (8) mit einem Kopfdurchmesser größer als ein Durchmesser des zylindrischen Bolzens, wobei das Reibwerkzeug (1) rotierbar und translatorisch in Richtung des Kopfbereichs bewegbar an einer Werkzeugmaschine gelagert ist.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reibwerkzeug (1) eine Kegelstumpfform aufweist und ein Durchmesser einer Unterseite (4) des Kegelstumpfs (5) kleiner als ein Durchmesser des Bolzens (3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibwerkzeug zum Reibumformen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Prinzipiell sind Reibwerkzeuge zum Reibumformen oder zum Reibnieten aus dem Stand der Technik bekannt. Ziel des Reibumformens oder Reibnietens ist es, an einen metallischen Zylinder mittels Reibwärme und durch eine Druckkraft einen „Kopf‟ auszuformen, der entweder durch Umformen sozusagen angestaucht oder durch Nieten angeformt werden kann. Mit einem derartigen Verfahren können unterschiedliche Bolzen mit einem Kopf ausgeformt werden, der zum Beispiel als Angriffspunkt für ein Werkzeug bei der Montage dienen kann.
Aus der DE 10 2017 130 449 A1 ist ein Stempelwerkzeug zum Reibnieten von Werkstücken bekannt. Das Stempelwerkzeug basiert auf einem metallischen Werkstoff und weist eine Nietkontaktfläche auf. Während eines Nietvorgangs rotiert die Nietkontaktfläche und steht mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt. Die Nietkontaktfläche weist eine Beschichtung auf, um ein Anhaften von Nietmaterial am Stempelwerkzeug zu reduzieren.
Eine weitere Art eines Reibwerkzeugs, das für einen Rührreibschweißprozess ausgebildet ist, zeigt die US 2013/0240607 A1 . Dieses weist einen kegelstumpfförmigen Werkzeugpin auf.
Nachteilig kommt es, insbesondere bei Stahlwerkstoffen, jedoch zu scharfen Wulstkerben und Rissen an der Oberfläche des geformten Kopfes. Weiterhin ist nachteilig ein erzielbarer Kopfdurchmesser durch das begrenzte Material beim Einrollen des Wulstes begrenzt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Reibwerkzeug zum Reibumformen zu schaffen, welches die zuvor genannten Nachteile überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Reibwerkzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Im Kern des erfindungsgemäßen Reibwerkzeugs weist dieses eine Kegelstumpfform auf, wobei ein Durchmesser einer Unterseite des Kegelstumpfs kleiner als ein Durchmesser des Bolzens ist, der umgeformt oder hergestellt werden soll. Durch die Ausbildung eines Kegelstumpfes kann die Kopfform in der Geometrie sowie im Durchmesser optimiert werden. Der Kegelstumpf, d. h. das Werkzeug, kann dadurch an den zu erstellenden Bolzenkopf geometrisch angepasst werden.
Mit dem geometrieoptimierten Reibwerkzeug, das als Reibumformwerkzeug oder Reibnietwerkzeug ausgebildet sein kann, kann der Bolzenkopf kerbfrei oder zumindest kerbreduziert ausgebildet werden. Dies resultiert unter anderem aus einer optimierten Krafteinleitung. Weiterhin können höhere Abzugskräfte erreicht werden, wodurch die Prozessstabilität verbessert wird. Ebenso kann die Form des Bolzenkopfes an spezielle Funktionen angepasst werden, zum Beispiel können der Außendurchmesser sowie die Kegelform speziell angepasst werden. Insgesamt können mit dem geometrieoptimierten Reibwerkzeug größere Kopfdurchmesser und ausgeprägte Kegelformen des Kopfes erzielt werden.
Das Reibwerkzeug ist zum Reibumformen oder Reibnieten eines Kopfbereichs eines aus einem Metall ausgebildeten zylindrischen Bolzen zu einem Bolzenkopf ausgebildet, wobei ein Kopfdurchmesser des Bolzenkopfs größer als ein Durchmesser des zylindrischen Bolzens ist, und wobei das Reibwerkzeug rotierbar und translatorisch in Richtung des Kopfbereichs bewegbar an einer Werkzeugmaschine gelagert ist. Das Reibwerkzeug kann beispielsweise mit 1.000 - 20.000 Umdrehungen/min betrieben werden. Die Drehzahl wird insbesondere in Abhängigkeit von der zu erzielenden Geometrie bestimmt, und kann bevorzugt bei 6.000 Umdrehungen/min liegen. Ebenso können die Reibzeit sowie der Reibweg zur Ausbildung unterschiedlicher Geometrien angepasst werden.
Bevorzugt kann das Reibwerkzeug, insbesondere der Kegelstumpf, zumindest teilweise aus Keramik ausgebildet sein. Keramische Werkzeuge sind in Vergleich zu metallischen Werkzeugen vorteilhaft, da diese eine höhere Festigkeit aufweisen. Durch den Einsatz keramischer Werkstoffe bzw. durch den Einsatz von Keramiken kann beispielsweise auf weitere, insbesondere teure, Beschichtungen verzichtet werden, da die keramischen Werkstoffe einen wesentlich geringeren Verschleiß als metallische Werkstoffe aufweisen. Insgesamt kann dadurch eine Kostenreduzierung des Reibwerkzeugs erzielt werden. Die höheren Standzeiten können beispielsweise durch keramische Werkstoffe, wie LSM800, Nichtoxidkeramiken, Siliziumnitrid (Si3N4) oder den unter der Bezeichnung Ceramtec SL200 oder SL800 bekannten Werkstoffen erzielt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der komplette Kegelstumpf aus Keramik ausgebildet sein.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass eine Schräge des Kegelstumpfs in einem Winkel von 40° bis 50°, insbesondere 45°, bezüglich einer Längsachse des Reibwerkzeugs ausgebildet ist, sodass der Kegelstumpf an unterschiedliche Kopfformen sowie Kopfdurchmesser angepasst werden kann.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine Oberfläche des Kegelstumpfs größer als eine umgeformte Oberfläche eines umgeformten Bolzenkopfes ist. Insbesondere im Zusammenhang mit der Kegelstumpfform kann dadurch eine Restschmutzoptimierung erzielt werden, wobei der Restschmutz größtenteils vom ausgeformten Kopf entfernt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass der Kegelstumpf an der gegenüberliegenden Seite zur Unterseite eine Aufwölbung in Richtung der Unterseite aufweist, sodass der Bolzenkopf mit einer Fase am Umfang ausbildbar ist. Auch dadurch kann eine Reduzierung des Restschmutzanteils erfolgen, indem eine passende Gegenfase am Bauteil erzielt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft möglich, wenn der Werkzeugdurchmesser des Reibwerkzeugs minimal größer als der Bauteildurchmesser, d. h. der Durchmesser des Bolzens, ist. Der ausgeformte Kopf weist in einer derartigen Ausführungsform verrundete Kanten auf, wodurch die Kontaktbedingungen zum Reibwerkzeug optimiert werden können.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Reibwerkzeugs ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:

1 zwei mögliche Ausführungsformen eines Reibwerkzeugs;
2 ein mit dem Reibwerkzeug hergestelltes Bauteil in einem Längsschnitt;
3 einen Detailausschnitt aus 2;
4 eine isometrische Darstellung des Bauteils aus 2.

In der Darstellung der 1 sind zwei mögliche Ausführungsformen eines Reibwerkzeugs 1 dargestellt. Beide Reibwerkzeuge 1 sind zum Reibumformen eines Kopfbereichs eines aus einem Metall ausgebildeten zylindrischen Bolzens ausgebildet. Das Reibwerkzeug 1 in 1 (a) hat eine Kegelstumpfform, wobei ein Durchmesser einer Unterseite 4 des Kegelstumpf 5 kleiner als ein Durchmesser des Bolzens 3, beispielsweise dargestellt in 2, ist. Insbesondere ist der Durchmesser der Unterseite 4 kleiner als ein Durchmesser im Endbereich 10 des Bolzens 3 aus 2. Der Kegelstumpf 5 kann zumindest teilweise aus Keramik ausgebildet sein. Eine Schräge 6 des Kegelstumpfs 5 kann in einem Winkel von 40° bis 50°, insbesondere 45°, bezüglich einer Längsachse 7 des Reibwerkzeugs 1 ausgebildet sein. Das Reibwerkzeug 1 in 1 (b) weist an dem Kegelstumpf 5 an der gegenüberliegenden Seite zur Unterseite 4 eine Aufwölbung 9 auf, die in Richtung der Unterseite 4 ausgeformt ist. Mit einem derartigen Reibwerkzeug 1 ist ein Bolzenkopf mit einer Fase am Umfang ausbildbar.
2 zeigt ein mit dem Reibwerkzeug 1 hergestelltes Bauteil in einem Längsschnitt. Das Bauteil kann beispielsweise ein Riegelbolzen für ein Getriebe eines Fahrzeugs sein. Der Riegelbolzen besteht aus einem Bolzen 3 und einem weiteren Bauteil 11, das auf den Endbereich 10 des Bolzens 3 aufgeschoben ist. Um den Bolzen 3 mit dem weiteren Bauteil 11 zu verbinden, wird das Reibwerkzeug 1 (nicht dargestellt) von rechts in das weitere Bauteil 11 eingeschoben. Der Endbereich 10 dient als Material zum Einrollen eines Wulstes 13 bei der Herstellung des Bolzens 3.
3 zeigt einen Detailausschnitt aus 2. Wenn das Reibwerkzeug 1 (nicht dargestellt) von rechts in das weitere Bauteil 11 eingeschoben wird, kann der Bolzenkopf 8 im Kopfbereich 2 des Bolzens 3 ausgeformt werden. Durch den geformten Wulst 13 werden beide Bauteile verbunden. Vor dem Zusammenfügen der beiden Bauteile 3, 11 kann ein Federelement 12 auf den Bolzen 3 aufgeschoben werden.
4 zeigt eine isometrische Darstellung des mittels des Reibwerkzeugs 1 hergestellten Bauteils mit einem Federelement 12, das beispielsweise einen Riegelbolzen ausbilden kann. Selbstverständlich können mit dem Reibwerkzeug 1 auch Kopfbereiche von einteiligen Bolzen bearbeitet bzw. ausgeformt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017130449 A1 [0003]
US 20130240607 A1 [0004]

Claims

Reibwerkzeug (1) zum Reibumformen eines Kopfbereichs (2) eines aus einem Metall ausgebildeten zylindrischen Bolzens (3) zu einem Bolzenkopf (8) mit einem Kopfdurchmesser größer als ein Durchmesser des zylindrischen Bolzens, wobei das Reibwerkzeug (1) rotierbar und translatorisch in Richtung des Kopfbereichs (2) bewegbar an einer Werkzeugmaschine gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibwerkzeug (1) eine Kegelstumpfform aufweist und ein Durchmesser einer Unterseite (4) des Kegelstumpfs (5) kleiner als ein Durchmesser des Bolzens (3) ist.
Reibwerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibwerkzeug (1), insbesondere der Kegelstumpf (5), zumindest teilweise aus Keramik ausgebildet ist.
Reibwerkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schräge (6) des Kegelstumpfs (5) in einem Winkel von 40° bis 50°, insbesondere 45°, bezüglich einer Längsachse (7) des Reibwerkzeugs (1) ausgebildet ist.
Reibwerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Kegelstumpfs (5) größer als eine umgeformte Oberfläche eines umgeformten Bolzenkopfes (8) ist.
Reibwerkzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelstumpf (5) an der gegenüberliegenden Seite zur Unterseite (4) eine Aufwölbung (9) in Richtung der Unterseite (4) aufweist, sodass der Bolzenkopf (8) mit einer Fase am Umfang ausbildbar ist.