DE10320140A1

DE10320140A1 - Verfahren zum Anbringen von Metallkomponenten aneinander mittels Thermobohren und Kraftstoffverteilerrohranordnung

Info

Publication number: DE10320140A1
Application number: DE10320140A
Authority: DE
Inventors: Anthony W King; Todd Gerardot
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Millennium Ind Angola LLC
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2003-11-27
Also published as: MXPA03003896A; US6889435B1; AU2003204030A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Befestigen einer Metallkomponente an einem Körper angegeben, welcher eine metallische Wandung hat. Dieses Verfahren umfaßt das Anlegen der Komponente gegen den Körper, derart, daß eine Wand der Komponenten in externem Oberflächenkontakt mit der Wandung des Körpers ist. Eine Öffnung wird dann mittels Thermobohrens durch die aneinander stoßenden Wände erstellt, wobei ein thermisches Fließen des Materials auf gegenüberliegenden Seiten der aneinander stoßenden Wände erzeugt wird, welches nach dem Härten dann die Komponente mit dem Körper verbindet.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Anbringen bzw. Befestigen von Metallkomponenten aneinander mit Hilfe einer Thermobohrtechnik, und insbesondere mit einem Kraftstoffverteilerrohr sowie mit einem Verfahren zum Zusammensetzen von Bauteilen, bei denen Komponentenhalter extern an einem Kraftstoffverteilerrohr mit Hilfe von Thermobohrtechniken angebracht werden.

Zur Ausbildung von Öffnungen in Metallkörpern einschließlich rohrförmigen Metallkörpern wurde der Einsatz von Thermobohrtechniken vorgeschlagen, welche auch bekannt sind als Materialfließbohrtechniken. Beispielsweise seien hierzu US-A-3,939,683, 4,231,097, 4,185,486, 4,428,214 und 4,454,741 genannt. Im allgemeinen wird ein sich schnell drehendes Durchstoßwerkzeug aus einem harten Material in Kontakt mit einer Außenfläche der Wand des Körpers gebracht. Reibungswärme und Druck des Durchstoßwerkzeugs gegen den Körper bewirken ein Fließen des Materials in axialer und radialer Richtung unter Bildung einer Öffnung, welche durch die Wand des Körpers geht. Die Öffnung wird von einem ringförmigen Bund umgeben, welcher durch das thermische Fließen des Materials längs des Werkzeugs gebildet wird. Das zur Bildung der Öffnung weggenommene Material fließt längs der Oberfläche des Werkzeugs unter Bildung eines ringförmigen Bunds im Unterschied zu der Bildung von Spanmaterialien und abgetragenen Materialien wie bei üblichen Bohrbearbeitungen als spanabhebende Bearbeitungen.

Die Erfindung zielt im allgemeinen darauf ab, Thermobohrtechniken hierbei einzusetzen, um zwei Metallkomponenten fest miteinander zu verbinden. Ein nicht beschränkendes Beispiel für eine Anwendung nach der Erfindung unter Einsatz der Thermobohrtechnik ist das Verbinden eines Komponentenhalters mit einer Außenfläche eines Kraftstoffverteilerrohrs für eine Brennkraftmaschine.

Ein Verfahren zum Befestigen einer Metallkomponente an einem Körper mit einer metallischen Wandung gemäß einem ersten Aspekt nach der Erfindung umfaßt das Anlegen der Komponente gegen den Körper derart, daß eine Wand der Komponente in äußerem Oberflächenkontakt mit der Wandung des Körpers ist. Eine Öffnung wird dann mittels Thermobohren durch die anliegenden Wände der Komponente und des Körpers erstellt, wodurch ein thermisches Materialfließen auf den gegenüberliegenden Seiten der anliegenden Wände erzeugt wird, welches beim Aushärten die Komponente mit dem Körper verbindet.

Ein Verfahren zum Befestigen des metallischen, schalenförmigen Komponentenhalters an einer Außenfläche eines hohlen Kraftstoffverteilerrohrs für eine Brennkraftmaschine als ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung umfaßt das Anlegen des Komponentenhalters derart, daß eine Basiswand des Halters in externem, tangentialem Oberflächenkontakt mit dem Kraftstoffverteilerrohr ist, und daß eine Öffnung durch die Basiswand und durch das Kraftstoffverteilerrohr an der Stelle erstellt wird, an der die Basiswand in Kontakt mit dem Kraftstoffverteilerrohr ist, wobei die Erstellung der Öffnung mittels des Thermobohrverfahrens erfolgt, um den Halter fest mit dem Kraftstoffverteilerrohr durch thermisches Fließen des Materials in den Halter und das Kraftstoffverteilerrohr unter Umschließung der Öffnung zu verbinden. Eine Kraftstoffverteilerrohranordnung gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung umfaßt ein hohles, rohrförmiges, metallisches Kraftstoffverteilerrohr mit einer Außenfläche und wenigstens einem Metallkomponentenhalter, welcher extern an dem Kraftstoffverteilerrohr angebracht ist. Der Komponentenhalter hat eine ebene Wand mit einem ersten Abschnitt in externem, tangentialem Kontakt mit einem zweiten Abschnitt der Außenfläche. Der Komponentenhalter ist mit dem Kraftstoffverteilerrohr mittels eines ringförmigen Bundes angebracht, welcher durch das Fließen des Materials von der Wand zu dem Rohr um eine Öffnung gebildet wird, die durch die ersten und die zweiten Abschnitte geht.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Kraftstoffverteilerrohranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel zum bevorzugten Einsatz der Lehre nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht im wesentlichen längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht eines Teils der Kraftstoffverteilerrohranordnung nach Fig. 2 in einer Zwischenherstellungsstufe;
Fig. 4 und 5 sind schematische Ansichten zur Verdeutlichung der aufeinander folgenden Stufen zur Bildung der Verbindung der Komponenten der Kraftstoffverteilerrohranordnung miteinander mit Hilfe des Thermobohrens;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht zur Verdeutlichung der Kraftstoffverteilerrohranordnung in einer Herstellungsstufe im Anschluß an die Anwendung des Thermobohrverfahrens im wesentlichen längs der Linie 6-6 in Fig. 3; und
Fig. 6A ist eine Ausschnittsansicht in vergrößertem Maßstab von einem Abschnitt in Fig. 6, welcher mit dem Bereich 6A bezeichnet ist.
Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen eine Kraftstoffverteilerrohranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre. Die Kraftstoffverteilerrohranordnung 10 weist ein rohrförmiges, metallisches Kraftstoffverteilerrohr 12 auf, welches eine Mehrzahl von Metallkomponentenhaltern 14 hat, welche extern fest an dem Kraftstoffverteilerrohr angebracht sind. Das Kraftstoffverteilerrohr 12 ist in Form eines hohlen, zylindrischen, rohrförmigen Kraftstoffverteilerrohrs dargestellt, obgleich hierfür auch nicht zylindrische Geometrien in Betracht kommen können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die Komponentenhalter 14 sind schalenförmige Halter, welche eine ebene Basiswand 16 haben. Die Halter 14 können beispielsweise zum Anbringen von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Dämpfereinrichtungen, Einlaß- oder Auslassleitungen oder dergleichen zu der Kraftstoffverteilerrohranordnung eingesetzt werden. Die Halterbasiswand 16 ist in tangentialem Kontakt mit der Außenfläche des Körpers des rohrförmigen Kraftstoffverteilerrohrs 12. Die Halter 14 und das Kraftstoffverteilerrohr 12 können irgendeine geeignete Metallkonstruktion haben, und beispielsweise aus niedrig gekohltem Stahl oder rostfreiem Stahl bestehen. Ein hohler Bund 18 ergibt eine Öffnung, welche durch die aneinandergrenzenden Flächen des Kraftstoffverteilerrohrs 12 und des Haltes 14 geht. Der Bund 18 hat einen Flansch 20, welcher in dem Innenraum des Halters 14 der Basiswand 16 gegenüberliegend angeordnet ist, und deren Befestigungshalter 16 fest gegen die Außenfläche des Kraftstoffverteilerrohrs 12 hält. Ein Ring 22 aus Hartlötmaterial erstreckt sich vorzugsweise extern um die aneinander stoßenden Flächenabschnitte des Halters 18 und des Kraftstoffverteilerrohrs 12 zum zusätzlichen Befestigen des Halters an dem Kraftstoffverteilerrohr.
Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch ein Verfahren zum Anbringen des Halters 14 an dem Kraftstoffverteilerrohr 12 auf die erfindungsgemäße Weise. Die Basiswand 16 des Halters 14 ist in tangentialem Kontakt mit der Außenfläche des Kraftstoffverteilerrohrs 12 gebracht und kann zeitweilig in dieser Position mit Hilfe von geeigneten, nicht gezeigten Einrichtungen fixiert werden. Die aneinander stoßenden Abschnitte des Halters und des Kraftstoffverteilerrohrs in dem Ausgangszustand sind unperforiert. Ein sich schnell drehendes Durchstoßwerkzeug 24 wird dann in Kontakt mit der Basiswand 16 des Halters 14 unter Ausrichtung zu der Linienkontaktfläche zwischen dem Halter 14 und dem Kraftstoffverteilerrohr 12 gebracht. Die Drehzahl des Werkzeugs hängt vom Hersteller, der Anzahl von gleichzeitig an dem Kraftstoffverteilerrohr anzuordnenden Haltern und weiteren Einflußgrößen ab. Bei einer beispielhaften Ausführungsform nach der Erfindung wird ein Flowdrill Thermal Drill mit einer Bridgeport Bearbeitungsmaschine mit 6,35 mm und einer Drehzahl von etwa 3.000 l/min eingesetzt. Bei der Vorschubbewegung des Werkzeugs 24 gegen den Halter 14 wird eine Öffnung durch die aneinander stoßenden Wände des Halters 14 und des Kraftstoffverteilerrohrs 12 durch thermisches Fließen des Materials um die Oberfläche des Durchstoßwerkzeugs gebildet. Dieses Material fließt in radialer und axialer Richtung längs des Werkzeugs 24 in das Kraftstoffverteilerrohr 12 und in den Halter 14, an welchem der Flansch 20 durch die Anlage eines Abschnitts des Werkzeugs 24 gebildet wird. Wie schematisch in Fig. 6A gezeigt ist, bildet das fließende Material von dem Halter 14 im allgemeinen den Flansch 20 an einem inneren Abschnitt des Bundes 18, und das von dem Kraftstoffverteilerrohr kommende fließende Material bildet im allgemeinen den äußeren Abschnitt des Bundes, obgleich diese Materialflüsse zusammen auftreten, und daher vorzugsweise keine scharte, linienförmige Abgrenzung gegeben ist. Das fließende Material verschweißt die Teile miteinander. Das Werkzeug 24 wird dann abgehoben, und der Halter 14 bleibt an dem Kraftstoffverteilerrohr 12 mit Hilfe der physischen Auslegung des Bundes 18 angebracht, nachdem das Material hart geworden ist. Hierdurch wird auf effektive Weise ein schalenförmiger Halter 14 an der Außenfläche des Kraftstoffverteilerrohrs 12 mittels Schweißen angebracht. Diese Befestigung des Haltes 14 an dem Kraftstoffverteilerrohr 12 mittels Thermobohren läßt sich vorzugsweise dadurch noch verbessern, daß ein Ring 12 aus Hartlötmaterial extern um die Abschnitte der Verbindungsflächen angeordnet wird, und daß dann die Kraftstoffverteilerrohranordnung mittels einer weiteren, an sich üblichen Hartlötbearbeitung behandelt wird.
Nach der Erfindung wird eine Metallkomponentenanordnung, vorzugsweise eine Kraftstoffverteilerohranordnung, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitgestellt, bei dem sich die vorstehend umrissenen Zielsetzungen erreichen lassen. Das Montageverfahren nach der Erfindung eliminiert die Notwendigkeit, gesondert eine Öffnung in dem Kraftstoffverteilerrohr durchzustoßen oder durchzubohren, wobei sich Späne oder Grate bilden, welche dann noch entfernt werden müssen. Das Montageverfahren nach der Endung eliminiert auch die Notwendigkeit vorgefertigte Öffnungen im Halter und im Rohr auszurichten, wie beispielsweise mittels eines Presssitzes oder anderer Ausrichttechniken. Das Verfahren nach der Erfindung reduziert die Montagekosten und vermindert die Komplexität. Ferner läßt sich die Qualität der erhaltenen zusammengesetzten Anordnung verbessern. Die schweißähnliche Verbindung durch thermischen Materialfluss hält die Komponenten bei einer Hartlöttemperatur (von etwa 1.093°C (2.000°F)) zusammen. Obgleich die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert worden ist, ist die Erfindung natürlich nicht hierauf beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Befestigen einer Metallkomponente an einem hohlen Metallkörper, welches die folgenden Schritte aufweist:

a) Anlegen der Komponente an den Körper derart, daß eine Wand der Komponente in externem Oberflächenkontakt mit einer Wand des Körpers ist; und

b) Thermobohren einer Öffnung durch die kontaktierenden Wände derart, daß die Komponente und der Körper fest miteinander durch thermisches Fließen des Materials in die Komponente und den Körper verbunden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) die Bildung eines Flansches aus dem thermisch fließenden Material in dem Körper umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches den zusätzlichen Schritt im Anschluß an den Schritt (b) aufweist, welcher folgendes umfaßt:

a) externes Hartlöten von Komponente und Körper.

4. Verfahren zum Befestigen einer Metallkomponente an einem hohlen Metallkörper, welches die folgenden Schritte aufweist:

a) Anlegen der Komponente an den Körper derart, daß eine Wand der Komponente in externem Flächenkontakt mit einer Wand des Körpers ist, und

b) Ausbilden einer Öffnung durch die kontaktierenden Wände mittels Thermobohren derart, daß die Komponente und der Körper fest miteinander durch thermisches Fließen des Materials in die Komponente und den Körper verbunden sind.

5. Verfahren zum Befestigen eines metallischen, schalenförmigen Komponentenhalters an einer Außenfläche eines hohlen, rohrförmigen, metallischen Kraftstoffverteilerrohrs für eine Brennkraftmaschine, welches die folgenden Schritte aufweist:

a) Anlegen des Komponentenhalters derart, daß eine Basiswand des Halters in externem Flächenkontakt mit dem Kraftstoffverteilerrohr ist und tangential zu dieser Außenfläche verläuft, und

b) Ausbilden einer Öffnung durch die Basiswand und das Kraftstoffverteilerrohr an der Stelle, an der die Basiswand in Oberflächenkontakt mit dem Kraftstoffverteilerrohr ist, und zwar mittels Thermobohren, um den Halter fest mit dem Kraftstoffverteilerrohr durch thermisches Fließen des Materials in den Halter und in das Kraftstoffverteilerrohr um die Öffnung zu verbinden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner folgender Schritt vorgesehen ist:

a) Hartlöten von Halter und Kraftstoffverteilerrohr.

7. Verfahren zum Befestigen einer Metallkomponente an einem Körper, welcher eine metallische Wand hat, welches folgendes aufweist:

a) Anlegen der Komponente gegen den Körper derart, daß eine Wand der Komponente in externem Flächenkontakt mit der Wand des Körpers ist, und

b) Thermobohren einer Öffnung durch die aneinander stoßenden Wände unter Verwirklichung eines thermischen Fließens des Materials auf gegenüberliegenden Seiten der aneinander stoßenden Wände derart, daß dann, wenn die Anordnung ausgehärtet ist, die Komponente mit dem Körper verbunden ist.

8. Kraftstoffverteilerrohranordnung, welche folgendes aufweist:
ein hohles, rohrförmiges, metallisches Kraftstoffverteilerrohr (12), welches eine externe Fläche hat, und wenigstens einen metallischen Komponentenhalter (14), welcher extern an dem Kraftstoffverteilerrohr (12) angebracht ist,
der Komponentenhalter (14) eine ebene Wand mit einem ersten Abschnitt in externem tangentialem Kontakt mit einem zweiten Abschnitt der Außenfläche hat,
der Komponentenhalter (14) an dem Kraftstoffverteilerrohr (12) mittels eines ringförmigen Bundes (18) angebracht ist, welcher durch das Fließen des Metalls von der Wand und dem Kraftstoffverteilerrohr (12) um eine Öffnung gebildet wird, welche durch die ersten und die zweiten Abschnitte geht.

9. Anordnung nach Anspruch 8, welche ferner einen Ring (22) aus einem Hartlötmaterial aufweist, welcher sich um die ersten und die zweiten Abschnitte der Wand und der Fläche erstreckt.