DE10259571B3

DE10259571B3 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils

Info

Publication number: DE10259571B3
Application number: DE2002159571
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Alexander Dr. Sagel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-12-20

Abstract

Die Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils (1), welches aus einem zu einem hohlen, mit zumindest einer aus seinem Hohlraum (6) nach außen führenden Öffnung (8) versehenen Basiskörper (2) umgeformten Rohling und einem im Hohlraum (6) des Basiskörpers (2) angeordneten Metallschaum (3) ausgebildet wird. Um die Herstellung eines Leichtbauteils (1) in einfacher Weise ohne Steifigkeitseinbußen, jedoch von geringem Gewicht, zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass ein Basiskörperrohling in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt wird, wonach eine Ausschäumung erfolgt, und dass der Basiskörperrohling mittels des Hochdruckes, den der sich ausdehnende Metallschaum (3) entfaltet, derart aufgeweitet wird, dass seine Wandung sich an die Gravurform der Umformwerkzeuggravur unter Bildung des Basiskörpers (2) konturgerecht anlegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 199 12 618 C2 bekannt. Dort wird ein Leichtbauteil, das aus einem hohlen Basiskörper besteht, ausgeschäumt, wobei zur Verleihung einer besonderen Steifigkeit in den Basiskörper ein Verstärkungselement eingebracht wird, welches bei der Ausschäumung umschäumt wird. Der Basiskörper ist entsprechend seinem Zweck zuvor konturiert, wobei dazu beispielsweise das übliche Innenhochdruckumformverfahren verwandt wurde. Die Außenkontur des Basiskörpers kann dabei die einer Nockenwelle sein. Dieses Herstellungsverfahren ist jedoch aufwendig, da mehrere Arbeitsschritte zur Ausbildung des Leichtbauteils erforderlich sind. Außerdem ist eine apparativ umfangreiche Einrichtung zur innenhochdruckgestützten Umformung des Basiskörpers erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass die Herstellung eines Leichtbauteils in einfacher Weise ohne Steifigkeitseinbußen jedoch von geringem Gewicht ermöglicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Aufgrund der Erfindung erfolgt gleichzeitig zur Ausschäumung des Basiskörpers dessen Umformung und diese in vorteilhafter Weise durch den bei der Schaumbildung sich entfaltenden Hoch druck, der je nach Volumen des hohlen Basiskörpers und der Menge des in den Basiskörperrohling eingebrachten schaumbildenden Materials und Treibmittels bis zu hundert bar bemessen kann. Der Umformung kommt zugute, dass zur Schaumbildung das zugehörige Material aufgeschmolzen sein muss, so dass bei der dabei erforderlichen Wärmezufuhr und der über einen erheblichen Teil der Aufschäumung herrschenden hohen Temperatur auch das Material des Basiskörperrohlings dessen Fliessfähigkeit gesteigert wird. Dadurch sind die zur Umformung benötigten Drücke deutlich geringer als diejenigen, die bei der üblichen fluidischen Innenhochdruckumformtechnik angewandt werden. Jedoch wird trotzdem durch die Anlage des sich aufweitenden Basiskörperrohlings an die Gravurform des Umformwerkzeuges die gewünschte Kontur des Leichtbauteils erreicht. Unter diesen Gegebenheiten ist es zur Verbesserung der Umformbarkeit des Basiskörperrohlings erforderlich, die Wandstärke des Basiskörperrohlings gering zu halten, was zusätzlich auch vorteilhaft zu einer Reduzierung des Leichtbauteilgewichtes führt. Die gewünschte Steifigkeit wird durch den sich aushärtenden Metallschaum gebildet. Apparativ ist das erfindungsgemäße Verfahren von nur geringem Aufwand, da das gesamte Leichtbauteil bezüglich der Formgebung und Aussteifung mittels des Schaums in einem Arbeitsschritt ausgebildet wird. Des weiteren ist die Zuhaltekraft für das Innenhochdruckumformwerkzeug gering, da der Innenhochdruck – wie erwähnt – deutlich unter dem des fluidischen Innenhochdruckumformverfahrens liegt, was zu einer Vereinfachung der Umformvorrichtung führt. Gleichfalls ist es auch denkbar, die in der bekannten Umformtechnik verwandten Druckstempel, mittels denen der umzuformende Hohlkörper abgedichtet wird, gänzlich entfallen zu lassen, was eine weitere Vereinfachung der Vorrichtung erbringt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt die Figur in einem seitlichen Längsschnitt ein erfindungsgemäß hergestelltes Leichtbauteil in Form einer Nockenwelle.

In der Figur ist ein Leichtbauteil 1 dargestellt, das hier als Nockenwelle gestaltet ist. Das Leichtbauteil 1 kann auch anders ausgebildet sein, wobei seine Verwendung in vielfältigen technischen Bereichen möglich ist. Besonders günstig ist der Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik, wobei das Leichtbauteil 1 dort Crashelemente, Rohbauträger des Kraftfahrzeugs (Längs- und Querträger) und Rahmenteile bilden kann, da mit dem erfindungsgemäßen Leichtbauteil 1 die Anforderungen an das Fahrzeug hinsichtlich eines möglichst geringen Gewichtes bei hoher Steifig- und Festigkeit optimal erfüllt werden können.
Beim Antrieb der Ventile eines Verbrennungsmotors werden in der Regel Nockenwellen zur Erzeugung eines bestimmten Ventilhubverlaufes eingesetzt. Die Nockenwellen müssen dabei sehr steif und verschleißfest sein, wobei ein geringes Gewicht der Nockenwelle für deren Antrieb einen geringeren Arbeitsaufwand und damit eine Einsparung an Leistungs- und Kraftstoffverbrauch erbringt. Dies erfüllt die erfindungsgemäß hergestellte Nockenwelle in besonders hohem Maße.
Das Leichtbauteil 1 beinhaltet dabei als wesentliche Bestandteile einen Basiskörper 2, der die Kontur der Nockenwelle trägt, und einen Metallschaum 3, der den Basiskörper 2 ausfüllt und ihm die hohe Steifigkeit verleiht. Für den hohlen Basiskörper 2 wird ein als preiswertes Massenprodukt erhältlicher rohrförmigen Rohling verwandt, der – wie schon oben erwähnt – in vorteilhafter Weise dünnwandig ist und aus einer Stahl-, Leichtmetall- wie Aluminium-, Magnesium oder Titanlegierung oder anderen technischen Legierung wie Stainless Steel, Superalloy Ni-Werkstoffen oder nur aus Aluminium bestehen kann.
Auf den Rohrrohling werden Anbauteile wie eine Inkrementscheibe und eine Vierkanthaltevorrichtung (hier nicht gezeigt) sowie endseitig ein mit dem Nockenwellenantrieb verbundener Befestigungsflansch 4 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 5 aufgeschoben, wonach der lose Zusammenbau in die Gravur eines Innenhochdruckumformwerkzeuges eingebracht wird. Die Positionierung des Anbauteils auf dem Rohling sollte – unabhängig von der Rohlingsform – immer so sein, dass dessen Hohlraum 6 mit der Öffnung 5 des Anbauteils überlappt, wobei die Öffnung 5 nicht zwangsläufig wie im gezeigte Beispiel eine Durchgangsöffnung sein muss.
Nun wird eine Mischung aus einem elementaren oder vorlegierten metallischen, pulverförmigen Material und einem Treibmittel wie beispielsweise TiH₂ in den Hohlraum 6 eingefügt, welcher anschließend an beiden Enden des Rohlings mittels zweier Deckel 7 verschlossen wird. Dadurch wird erreicht, dass der Druck des sich noch zu entfaltenden Metallschaums 3 besonders hoch wird und damit die gewünschte Kontur des Basiskörpers 2 exakt ausgeformt werden kann. Falls die Öffnung 5, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt ist, durchgängig ist, kann auch ein in der Öffnung 5 des auf den Rohling aufgesteckten Flansches 4 angeordneter Deckel 15 zumindest einenends den Hohlraum 6 des Rohlings verschließen. In bauteilsparender Weise kann der Befestigungsflansch 4 auch so ausgebildet sein, dass seine Öffnung 5 nach Art eines Sackloches gestaltet ist, wodurch beim Aufschieben des Flansches 4 auf den Rohling des Basiskörpers 2 dessen aus seinem Hohlraum 6 nach außen führende Öffnung 8 von dem Flansch 4 selbst verschlossen wird. Natürlich ist es auch denkbar, auf Verschlüsse zu verzichten und die Schaumbildung frei ablaufen zu lassen. Um hierbei noch auch größere Umformgrade sinnvoll realisieren zu können, ist eine entsprechende Reduzierung der Wandstärke des Rohlings und eine Erhöhung der Schaumbildungstemperatur zwingend erforderlich.
Alternativ zu der Einbringung einer Mischung aus pulverförmigem Material und Treibmittel kann auch in den Hohlraum 6 des Rohlings zur Ausschäumung ein vorgefertigter Halbzeugschäumling eingesteckt werden, was Handlingsvorteile und eine erheblich kürzere Ausschäumungszeit gegenüber der losen Pulverbeschickung erbringt. Der Halbzeugschäumling wird durch ein pulvermetallurgisches Verfahren durch die genannte Mischung aus Pulver und Treibmittel und anschließender Kompaktierung hergestellt. Hierbei kommen Al-, Mg-, Ni-, Ti-, Stainless Steel-, Superalloys-, oder Al-SiC-MMC-Schäume in Frage. Der Rohling kann indes bei anderen Gestaltungen und Verwendungszwecken des Leichtbauteils 1 auch andere von der Rohrform abweichende Formen mit einer oder mehreren Öffnungen 8 besitzen.
Nach der Einbringung der schaumbildenden Materialien bzw. des hier rohr- oder stangenförmigen Halbzeugschäumlings in den Rohlingshohlraum 6 und Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeuges wird der metallische Werkstoff des Pulvers bzw. des Schäumlings aufgeschmolzen bzw. thermisch aktiviert, so dass das Treibmittel den Metallschaum 3 bilden bzw. den Halbzeugschäumling vergrößern kann. Der sich ausbreitende Metallschaum 3 legt sich in der Folge an der Innenseite des Rohlings an und weitet diesen unter dem entstehenden Hochdruck allseitig auf, bis sich dessen Wandung an der Gravurform des Innenhochdruckumformwerkzeug konturgerecht anlegt und damit die den Basiskörper 2 bildende Endform, zumindest jedoch die endkonturnahe Form erreicht ist. Nach dem Verbrauch des Treibmittels und der Erkaltung des Metallschaums 3 wie auch des durch die Schmelzwärme des Schaummaterials erhitzten Basiskörpers 2 wird das Umformwerkzeug geöffnet und das ausgeschäumte und konturierte Leichtbauteil 1 entnommen.
Infolge des Aufweitens des Rohlings unter dem Hochdruck des sich ausdehnenden Schaums 3 werden die Anbauteile, insbesondere der Befestigungsflansch 4 auf dem erzeugten Basiskörper 2 unter Bildung eines sehr festen Presssitzes festgesetzt. Um die Verbindung zwischen Anbauteilen und Basiskörper 2 völlig unlösbar zu machen, kann das Anbauteil an seiner die Öffnung 5 umfänglich begrenzenden Innenwandung eine oder mehrere eingearbeitete Aussparungen aufweisen, in die das Rohlingsmaterial während des Aufweitvorganges vom Schaumdruck hineingepresst wird, so dass eine formschlüssige Verkrallung zwischen den Anbauteilen und dem Basiskörper 2 erzielt wird.
Um die Umformung des Rohlings prozesssicher abfolgen zu lassen, ist eine Regelung des Hochdruckes zweckmäßig, nach der mit Fortschritt der Umformung der jeweils günstigste Druck für die gewünschte Umformung eingestellt wird ohne den Rohling zu schädigen oder gar zu zerstören. Dies kann nach einem empirisch erfassten oder rechnerisch ermittelten Kennfeld geschehen, wonach der Hochdruck mittels eines mit dem Hohlraum 6 des Rohlings verbundenen Ventils geregelt wird. Damit der Hochdruck auch bedarfsweise erhöht werden kann, ist es denkbar alternativ oder zusätzlich durch Wärmezufuhr oder -abfuhr die Schaumbildung und damit den sich dabei entwickelnden Hochdruck des Metallschaums 3 in verstärkender oder reduzierender Weise zu beeinflussen. Ersatzweise oder auch zusätzlich kann der Hochdruck während des Ausschäumvorgangs dadurch reguliert werden, dass der sich ausdehnende Schaum 3 mittels zumindest eines im Hohlraum 6 des Rohlings geführten Stempels anisotrop komprimiert wird. Dadurch wird der Metallschaum gestaucht und verstärkt quer zur Komprimierungsrichtung gepresst, wobei der auf die Rohlingswandung lastende Hochdruck noch gesteigert wird.
Des weiteren kann im Umfeld des herzustellenden Leichtbauteils 1 auch eine Druckkontrolleinheit angeordnet sein, die beispielsweise über eine Bohrung im Deckel 7 mit dem Hohlraum 6 des Rohlings in Druckverbindung steht und dabei kontinuierlich während des Herstellungsprozesses des Leichtbauteils 1 den jeweils momentanen Hochdruck erfasst, wonach sie eine Druckregeleinrichtung ansteuert, die den Druck einem gewünschten Druckverlauf anpasst. In geeigneter Weise kann die Druckkontrolleinheit auf den Rohling geschoben werden, wobei sie eine dort befindliche Öffnung 8 des Rohlings verschließen kann. Hierbei kann der Deckel 7 entfallen.
Bei einem hoch beanspruchten und verschleißgefährdeten Leichtbauteil 1, wie es die Nockenwelle darstellt, wird diese nach ihrer endkonturnahen Ausbildung und der Entnahme aus dem Innenhochdruckumformwerkzeug mit einem vorzugsweise thermischen Beschichtungsprozess an den hochbeanspruchten Stellen, wie der Nockenbereich 9 und die Lagerstellen 10 lokal durch eine hochfeste Verschleißschutzschicht 11 geschützt. Einfachheitshalber kann auch die Nockenwelle über all beschichtet werden. Die hochverschleißfeste Schicht 11 besteht vorzugsweise aus einem amorph-nanokristallinen Werkstoff, der beispielsweise mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf der Außenseite 12 des Basiskörpers 2 aufgebracht wird. Es sind auch andere thermische Beschichtungsverfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen, Lichtbogendrahtspritzen oder kinetisches Kaltgaskompaktieren denkbar. Ebenso kann die Schicht 11 auch aus anderen bekannten metallischen Werkstoff mit kristalliner Struktur bestehen. Gleichfalls ist auch eine keramische oder metallkeramische Schicht 11 einsetzbar. Um die Schicht 11 besonders haftfest auf den Basiskörper 2 aufzubringen, ist es von Vorteil, vor dem Beschichtungsprozess die Außenseite 12 des Basiskörpers 2 zu aktivieren, indem sie vorzugsweise mittels der Hochdruckwasserstrahltechnik, alternativ auch mit Abrasivpartikeln wie Korund gestrahlt wird. Die Schichtdicke ist gering und beträgt maximal ca. 1mm. Die Nockenbereiche 9 und die Lagerstellen 10 werden nach der Beschichtung einer Schleifbearbeitung auf Endmaß unterzogen.
Abschließend wird der verfestigte steife Metallschaum 3 unter Bildung eines axialen Durchgangskanals 13 hohlgebohrt. Des weiteren werden in den Basiskörper 2 und den Schaum 3 im Bereich der Lagerstellen 10 Radialkanäle 14 gebohrt, welche in den Durchgangskanal 13 einmünden. Bei der Nockenwelle dienen die Kanäle 13 und 14 zur Versorgung der Lagerstellen 10 der Nockenwelle mit Öl. Alternativ ist es denkbar, anstelle der Bohrungen im Schaum 3 einen entlang der Längserstreckung des Rohlings verlaufenden metallischen Hohlzylinder – unter Umständen mit kleinen radial abstehenden Abzweigstutzen versehen – in dem Hohlraum 6 anzuordnen und diesen während der Ausschäumung des Rohlings zu umschäumen, wobei die Durchgänge des Hohlzylinders und der Stutzen die Kanäle 13 und 14 bilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils, welches aus einem zu einem hohlen, mit zumindest einer aus seinem Hohlraum nach außen führenden Öffnung versehenen Basiskörper umgeformten Rohling und einem im Hohlraum des Basiskörpers angeordneten Metallschaum ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörperrohling in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt wird, wonach eine Ausschäumung erfolgt, und dass der Basiskörperrohling mittels des Hochdruckes, den der sich ausdehnende Metallschaum (3) entfaltet, derart aufgeweitet wird, dass seine Wandung sich an die Gravurform der Umformwerkzeuggravur unter Bildung des Basiskörpers (2) konturgerecht anlegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zusammenwirkung eines Treibmittels und eines schaumbildenden pulverförmigen Materials, die zusammen durch die Öffnung (8) in den Basiskörperrohling eingebracht werden, wobei das pulverförmige Material unter Wärmezufuhr geschmolzen wird, der Basiskörperrohling ausgeschäumt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnung (8) des Basiskörperrohlings zur Ausschäumung ein vorgefertigter Halbzeugschäumling einge steckt wird, der zur weiteren Ausschäumung des Basiskörperrohlings unter Treibmittelzufuhr thermisch aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (8) des hohlen Basiskörperrohlings vor dem Ausschäumvorgang verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausschäumen zumindest ein Anbauteil (4) mit einer Öffnung (5) auf den Basiskörperrohling geschoben wird, so dass der Hohlraum (6) des Basiskörperrohlings mit der Öffnung (5) überlappt, und anschließend durch das ausschäumungsbedingte Aufweiten des Basiskörperrohlings das Anbauteil (4) an diesem festgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8) des Basiskörperrohlings durch das Anbauteil (4) beim Aufschieben verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck mittels eines mit dem Hohlraum (6) des Basiskörperrohlings verbundenen Ventils geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ausschäumvorgangs der sich ausdehnende Metallschaum (3) mittels zumindest eines im Hohlraum (6) des Basiskörperrohlings geführten Stempels anisotrop komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck durch eine Druckkontrolleinheit erfasst wird, die eine Druckregeleinrichtung ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Druckkontrolleinheit eine Öffnung (8) des Basiskörperrohlings verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausschäumen auf den umgeformten Basiskörper (2) lokal oder überall an seiner Außenseite (12) eine Verschleißschutzschicht (11) aufgebracht, vorzugsweise thermisch aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Beschichtung die Außenseite (12) aktiviert, vorzugsweise mittels einer Hochdruckwasserstrahltechnik gestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck durch Wärmezufuhr oder -abfuhr bei der Schaumbildung geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (2) aus einem rohrförmigen Rohling in seine Endform oder endkonturnahe Form durch den Hochdruck umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (2) aus einem rohrförmigen Rohling derart durch den Hochdruck in Zusammenwirkung mit der Umformwerkzeuggravur umgeformt wird, dass seine Kontur der einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausschäumung des Basiskörperrohlings der verfestigte Metallschaum (3) unter Bildung eines axialen Durchgangskanals (13) hohlgebohrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausschäumung des Basiskörperrohlings ein innerhalb des Basiskörperrohlings befindlicher entlang dessen Längserstreckung verlaufender Hohlzylinder umschäumt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den fertig geformten Basiskörper (2) Radialkanäle (14) gebohrt werden, die in den Durchgangskanal (13) einmünden.