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Verfahren zur Herstellung einer Steilschulter-Tiefbettfelge aus Leichtmetall
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fabrikationsverfahren zum Runden
und Querschweißen einer Leichtmetall-Steilschulter-Tiefbettfelge mit niedrigem Horn,
zwei kegelförmigen Felgenflanken von etwa 15° für die Verspannung des Reifens und
einer Spannfläche von 15 bis 30° am Feigenfuß für die Verspannung der Felge auf
dem Radstern, einem Hohlraum zwischen Felgenfuß und Felgenflanke und einem Tiefbettboden
von etwa 4° Kegelneigung.
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Es sollen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein vom Fertigprofil
der Felge abweichendes stranggepreßtes Ausgangsprofil durch zwei bestimmte Stufen
des Rundens in einen Felgenring umgeformt werden, wobei das Herstellen von Felgen
durch Runden und Stumpfschweißen eines Profilstabes als an sich bekannt vorausgesetzt
wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Steilschulter-Tiefbettfelge
aus Leichtmetall wird im wesentlichen eine Vereinfachung bzw. Verbesserung gegenüber
den bisher bekannten Herstellungsverfahren bezweckt.
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Die bisher verwendeten Steilschulter-Tiefbettfelgen wurden aus zwei
gewalzten und gerundeten Stahlprofilen hergestellt und mit einer über den ganzen
Umfang verlaufenden, mechanisch stark belasteten Schweißnaht zusammengesetzt. Bei
einigen Ausführungsarten wird die Schweißnaht mit dem vom Pneudruck erzeugten Reifenwanddruck
beaufschlagt. Für diese Felgen sind schon vor den eigentlichen Rundungsoperationen
mehrere Walzoperationen zur Herstellung des geraden Stabes erforderlich.
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Es sind ferner Verfahren bekanntgeworden, welche durch Umbördeln und
Pressen eines Stahlblechringes das ganze Profil aus einem Stück herzustellen vorschlagen.
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Diese haben sich jedoch in der Praxis bisher nicht durchgesetzt. Für
die Herstellung von Stahlfelgen zu Lastwagen sind sehr schwere und kräftige Maschinen
erforderlich, um die großen Kräfte für die Verformung und Profilierung aufzubringen.
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Für Leichtmetall-Scheibenräder von Lastwagen sind Verfahren bekanntgeworden,
bei welchen durch Schmieden, Fließpressen und Drücken eines ringförmigen Rohlinges
das Felgenprofil profiliert wird. Diese haben sich jedoch in der Serienfertigung
ebenfalls noch nicht eingeführt.
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Für kleine Reifendimensionen für Velos und Motorräder existieren bereits
Leichtmetallfelgen mit einfachem, symmetrischem Profil, welche durch Strangpressen
erzeugt und anschließend gerundet werden. Diese Profile besitzen jedoch kleine Dimensionen.
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Sie werden mit Hilfe von Drahtspeichen mit der Radnabe verbunden und
sind daher für schwere Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Die verfahrenstechnischen
Anforderungen an die Umformung vom geraden Stab zur fertigen Felge sind weniger
komplex.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in der nachfolgend
beschriebenen Weise durch nacheinander durchgeführte Verfahrensschritte gelöst:
Verwendung eines stranggepreßten Profils aus vergütbarer weichgeglühter Legierung,
welches vom Fertigprofil durch eine größere radiale Höhe des Hohlraumes, eine bombierte
konvexe Felgenschulter und durch eine weniger stark gewölbte Kontur des Felgenfußes
abweicht, durch Vorrunden, ohne Füllung für den Hohlraum, unter Aufweiten der Felge
auf der dem Hohlraum entgegengesetzten Seite so weit, daß die beidseitigen radialen
Ausdehnungen einander gleichkommen, zu einem Ring geformt und durch anschließendes
Fertigrunden des Ringes die bisher konvex gehaltene Felgenschulter zu einem Kegel
unter gleichzeitigem Herausbilden einer tieferen konkaven Wölbung am Felgenfuß genau
verformt wird.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter
Darstellung, und zwar F i g. 1 das fertiggerundete Felgenprofil im Schnitt, F i
g. 2 einen Querschnitt durch das entsprechende Strangpreßprofil, F i g. 3 zwei verschiedene
Profile einer inneren Walze in Ansicht; das ausgezogene Profil dient zum Vorrunden,
während eine Walze nach dem strichpunktierten Profil zum Fertigrunden verwendet
wird,
F i g. 4 zwei verschiedene Profile der äußeren Walzen; die
ausgezogene Kontur dient zum Vorrunden, während eine Walze nach der strichpunktierten
Kontur für das Fertigrunden verwendet wird, F i g. 5 eine schematisierte Darstellung
des Rundens der Felgengegenseite, mit zusätzlicher 10 °/oiger Ausdehnung der Flanke
der Gegenseite, entsprechend der durch den Hohlraum automatisch erhöhten Ausdehnung
der Felgenschulterfußseite, F i g. 6 einen Schweißkeil im Aufriß, F i g. 7 denselben
im Schnitt und F i g. 8 die Schweißunterlage in perspektivischer Darstellung.
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Zur Klarstellung gewisser Definitionen sollen an Hand des fertigen
Felgenprofils nach F i g. 1 die Begriffe erläutert werden.
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Es handelt sich um eine sogenannte Steilschulter-Tiefbettfelge, vorzugsweise
für schlauchlose Bereifung. Diese besteht aus zwei niedrigen seitlichen Hörnern
1
und 2 mit daran anschließenden Felgenschultern 3
und
4 mit etwa 15' Neigung. Auf diesen Felgenschultern 3 und 4 kann der
Reifenfuß eines schlauchlosen Reifens sehr straff verspannt werden. Zwischen den
beiden Felgenschultern 3 und 4 befindet sich das Tiefbett 5, welches
die Montage des Reifens erlaubt.
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Die Felge wird mit Hilfe einer seitlich angeordneten kegelförmigen
Spannfläche 6 von 2 # 28' Kegelwinkel auf den Speichenköpfen eines Radsternes
satt verspannt und befestigt. Die 28°-Spannfläche 6 wird auch als sogenannter
Felgenfuß bezeichnet. Zur Definition gewisser geometrischer Formen und metallurgischer
Vorgänge werden alle Teile, welche sich auf der Fußseite des Tiefbettes
5 befinden, mit »Felgenfußseite« bezeichnet, während die Felgenteile auf
der andern Seite des Tiefbettes 5 mit »Felgengegenseite« bezeichnet werden.
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Das Tiefbett 5 besitzt im vorliegenden Fall eine Kegelneigung von
4°, wie durch Bezugslinien und Winkel 7 angegeben ist. Über dem Felgenfuß 6 und
unterhalb der Felgenschulter 3 befindet sich ein Hohlraum 11, dessen Wandungen
dieser Felge eine besonders hohe Gestaltfestigkeit verleihen. Da bei Speichenrädern
sehr oft die Spannkräfte zur Erzeugung eines ausreichenden Reibschlusses zwischen
Speichenrad und Felge auf der Spannfläche 6 sehr hoch sein können, ist es
auch aus Festigkeitsgründen absolut am Platz, die Felgenfußseite mit einem versteifenden
Hohlraum 11 zu versehen, während die Felgengegenseite mit einer einfachen
Felgenschulter 4 ohne Hohlraum ausgebildet werden kann.
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Die wichtigsten Maße des äußeren Felgenprofils, vor allem der Felgenschultern
3 und 4 und des Felgenfußes 6, sind genormt. Die Maßtoleranzen sind
relativ eng. Für bearbeitete Felgen bestehen keine Schwierigkeiten, diese zu erreichen.
Für unbearbeitete Felgen müssen diese Toleranzen als sehr eng bezeichnet werden.
Die mechanische Bearbeitung von Felgen ergibt jedoch in jedem Fall sehr teure Operationen.
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Es wäre als ganz wesentliche Erleichterung des Fabrikationsverfahrens
zu betrachten, wenn die Felge nach F i g. 1 mit den teilweise normalisierten Formen
und Dimensionen schon im Strangpreßprofil geometrisch genau erzeugt werden könnte
und anschließend in wenigen Rundungsoperationen zu einer Felge gerundet würde. Leider
ist dies jedoch nicht möglich.
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Beim Runden eines solchen asymmetrischen und rohrförmigen Profiles
stellen sich zwei Hauptschwierigkeiten ein: 1. Einknicken der Wandungen 3,
6 und 8 des Hohlraumes; 2. kleinere Ausdehnung der Schulter
4 (Gegenseite) gegenüber der Schulter 3 (Fußseite). Letztere wird als äußere
Wand eines Hohlraumes stärker gedehnt, weil das Fußprofil sich einer Kompression
stärker widersetzt.
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In der Technologie der Leichtmetallrohre und der Leichtmetallstrangpreßprofile
mit Hohlraum sind Rundungsoperationen bisher immer mit einer Füllung, beispielsweise
aus Sand, Kolophonium, Woods Metall oder Eis, durchgeführt worden, um das Einknicken
der Wandungen zu vermeiden. Dieses Abfüllen mit Füllstoff ist sehr umständlich und
kompliziert, besonders dann, wenn die Rundungsoperationen gewisse Genauigkeitsansprüche
erfordern.
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Um das Einknicken der Wandungen auch ohne Füllung des Hohlraumes zu
vermeiden, ist es erforderlich, das Preßprofil am geraden Stab nach F i g. 2 auszuführen.
Dieses besitzt auf der Fußseite, zwischen Felgenfuß 26 und Horn
21 eine größere Profilhöhe 22.
Die Felgenschulter 23 auf der Fußseite
ist konvex ausgebildet, während die Felgenschulter 24 eben mit einem Winkel
von 16' gestaltet ist. Der Felgenfuß 26
ist weniger stark konkav ausgebildet
als am fertigen Profil nach F i g. 1, d. h., dessen Radius ist größer und schmiegt
sich an die Kontur der Tiefbettwandung 25 an. Dasselbe gilt auch für die
seitliche Stützwand 28 des Hohlraumes.
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Ein Felgenstabprofil gemäß F i g. 2 wird aus einer vergütbaren und
korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung der Gattung A1 mit 1,5 °/o Si und 10/,
Mg stranggepreßt. Es ist als Preßprofil stark asymmetrisch. Wenn nötig, muß das
Profil nach dem Pressen noch weichgekühlt werden; in den meisten Fällen wird dies
jedoch nicht erforderlich sein. Anschließend wird der Preßstab auf Felgenumfangslänge
+ 5°/o zerschnitten. Dank der Verwendung eines Stabprofils nach F i g. 2 kann die
Felge ohne jegliche Füllung des Hohlraumes folgenderweise in zwei Operationen gerundet
werden: Die erste Operation bzw. das Vorrunden erfolgt mit zwei äußeren Rollen
42 nach F i g. 4 (ausgezogene Kontur 43) und einer inneren Walze
31 nach F i g. 3, ebenfalls nach der ausgezogenen Kontur 33. Die der in F
i g. 1 dargestellten Felgenschulter 23 (Fußseite) entsprechende Partie 43 ist konkav
ausgebildet. Aus diesem Grund deformiert sich die Felge auf der Fußseite nur wenig
und vermeidet jegliches Einknicken der äußeren und inneren Wandungen des Hohlraumes.
Die konvexe Felgenschulter 23 wird bis auf weiteres noch beibehalten.
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Beim Vorrunden wird ferner mit Hilfe der inneren Rolle 31 nach
F i g. 3 (ausgezogene Kontur 33), welche einen Felgenschulterwinkel34 von etwa 25°
aufweist, die notwendige zusätzliche Expansion der Felgenschultergegenseite
24 (s. F i g. 21) erzielt. Die entsprechende Kontur 44 der äußeren
Rolle 42 (s. auch F i g. 4) behält die 15'-Schulterneigung auf der Gegenseite
bei. Diese Expansion der Felgenschultergegenseite 24 ist in der F i g. 5
in Ansicht schematisch dargestellt. Diese zusätzliche Expansion der Felgengegenseite
24 (F i g. 2) ist nötig, um die starke Ausdehnung beim Runden der Felgenfußseite
zu kompensieren. Das Fußprofil 26 widersetzt sich einer Stauchung beim Runden,
so daß die Felgenschulter 23 wesentlich stärker gedehnt würde als die Felgenschulter
24 der Gegenseite.
Anschließend wird die vorgerundete Felge
auf die Umfangslänge zugeschnitten. In der nächsten Operation wird die Felge fertig
gerundet, mit Walzen nach F i g. 3 und 4 (strichpunktierte Kontur 35 bzw.
45).
Dabei wird die Felgenschulter 3 (F i g. 1) abgeflacht und gleichzeitig
der Felgenfuß 6 am Hohlprofil zum fertig konkav gewölbten und genormten Felgenprofil
9 nach F i g. 1 verformt.
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Die nächste Operation ist das Zuschneiden der Umfangslänge nach Lehre
abzüglich der Schweißnahtbreite. Alsdann werden zwei Entlüftungslöcher am Steg
8 des Hohlraumes 11 gebohrt und das Ventilloch im Tiefbettboden 5
auf der Gegenseite der Felgenschweißstelle angebracht (s. F i g. 1). Die Entlüftungsbohrungen
dienen dazu, allfällige Schäden beim Schweißen (Wegblasen des Argonstromes) bei
Warmbehandlungsprozessen und durch Expandieren von Gasen zu vermeiden. Sie werden
zum Schluß wieder verschlossen.
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Gemäß den F i g. 6 und 7 wird vor dem Schweißen ein beidseitig kegelförmiger
Schweißkeil 61 in die Stoßfläche des Hohlraumes 11 (F i g. 1) eingelegt.
Ein allfälliger Aufguß 62 des Zentrierkeiles 61 wird als Halter zum
Einstellen verwendet und später abgebrochen. Das Querschweißen der Stoßnaht wird
mit Hilfe des sogenannten Sigma-Schweißverfahrens, d.h. mit elektrischer Lichtbogenschweißung
unter Schutzgas mit abschmelzender Elektrode durchgeführt. Die Schweißdrahtqualität
muß zur Verfeinerung des Gefüges aus einer vergütbaren Legierung mit etwa 4°/0 Silicium
und 10/, Magnesium hergestellt sein. Die Härte dieser Gußlegierung in vergütbarem
Zustande ist mit derjenigen der Felgenlegierung vergleichbar. Die Schweißung erfolgt
ohne Wurzelschweißung dank Verwendung eines profilierten Cu-Blockes 81 nach
F i g. 8 als Schweißunterlage, welcher unter der Schweißnaht eine Nut
82 aufweist. Die Spaltbreite 83
und die Breite der Schweißnut
82 werden durch die Breite 71 des eingelegten und federnd verspannten Schweißkeiles
bzw. Zentrierkeiles 61 nach F i g. 7 bestimmt.
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Der Schweißkeil hat neben seiner Zentrierfunktion noch die Aufgabe,
Kerbstellen im Innern des Hohlraumes, d. h. an der Wurzel der Schweißnaht zu vermeiden.
Ohne Verwendung eines Schweißkeiles besteht die Gefahr, daß die Tiefe der Schweißnaht
ungleichmäßig wird und daß sich zwischen der zylindrischen, parallelen Wand des
Schweißspaltes und der V-förmigen Schweißzone eine sehr spitze Kerbe ausbilden kann.
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Der Schweißkeil 61 erlaubt ferner das Schweißen mit hoher Stromstärke
ohne gefährliches Einschmelzen der Hohlraumwandungen. Anschließend werden noch die
sogenannten Felgenanschläge angeschweißt.
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Die fertiggerundete und geschweißte Felge wird vergütet, indem sie
15 Minuten im Ofen auf 535 bis 540°C gehalten wird. Das Abschrecken erfolgt im Wasser
von 20 ± 10°C. Jedes ringförmige Werkstück aus Stahl- oder LM-Legierungen mit relativ
kompliziertem Profil, wie z.B. eine Felge, muß infolge Verformung beim Schweißen
oder Vergütungsglühen und ebenso auch um alle kleinen Rundungsfehler zu eliminieren,
kalibriert werden. Bei LM-Legierungen erfolgt dies am vorteilhaftesten sofort nach
der Glühung.
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Ein wichtiger Punkt des Verfahrens ist die Auswahl der Legierung,
welche im weichgeglühten Zustand sehr kleine mechanische Festigkeitswerte besitzt,
gegenüber denjenigen im vergüteten Zustand. Dieser große Unterschied der mechanischen
Eigenschaften erlaubt das Runden mit billigen Maschinen kleinster Leistung und zum
Schluß das Kalibrieren in einer 50- bis 60-t-Presse, was vergleichsweise zu den
für Stahlfelgen erforderlichen Kräften nur einen Bruchteil darstellt. Die mechanischen
Festigkeitswerte der oben angegebenen Legierung betragen:
| Weich Ver- |
| geglüht |
| gütet |
| os (Streckgrenze), kg/mm2 . . . . . 4 bis 8 27 bis 38 |
| vB (Zugfestigkeit), kg/mm2 . .... 10 bis 12 32
bis 42 |
| Dehnung, °/o . . . . . . . . . . . . . .... 30 10 bis
12 |
| Brinellhärte, kg/mm2 . . . . . . . . . . 35 110 |
Durch die Wahl dieser Verfahrensschritte werden gegenüber den bisher üblichen Felgenherstellmethoden
verschiedene Vorteile gewonnen: Dank der Verwendung einer Legierung mit kleinen
Festigkeitswerten im weichgeglühten Zustand können die Rundungsoperationen und das
Kalibrieren, d. h. sämtliche verformenden Operationen, mit sehr kleinen, billigen
Werkzeugen und Maschinen durchgeführt werden.
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Durch das Felgenprofil mit Hohlraum (Hohlprofil) wird mit kleinem
Felgengewicht und geringem Materialverbrauch eine wesentlich höhere Gestaltfestigkeit
erzielt.
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Dank den bombierten Wandungen des stranggepreßten Stabprofiles und
des Felgenhohlraumes können die Rundungsoperationen ohne jegliche Füllung durchgeführt
werden. Das Abfüllen von Hohlprofilen und Rohren mit Hilfe von Sand, Kolophonium,
Woods Metall, Eis usw. ist eine sehr komplizierte Operation, welche viel Zeit in
Anspruch nimmt, ganz besonders dort, wo die Stabenden von Zeit zu Zeit wieder gekürzt,
geöffnet und nachgestopft und wiederum verschlossen werden müssen. Dank dem füllungsfreien
Runden wird dazu vermieden, daß Füllmaterialreste in die Schweißnaht eindringen
und diese verunreinigen.
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Das elektrische Lichtbogenquerschweißen der Felge nach dem Verfahren
mit Schutzgas (z. B. Argon) und abschmelzender Elektrode bedingt einfache Vorrichtungen
und kleinen betrieblichen Aufwand. Das hierfür sonst übliche Widerstands-Stumpfschweißen
bedingt bei Leichtmetallquerschnitten, wie sie hier vorkommen, sehr große Stromstärken.
Das angewendete Verfahren hat ferner gegenüber dem Widerstands-Stumpfschweißen den
Vorteil, daß keine Spritzer von oxydiertem Metall und halberstarrten Tropfen in
die gegenüberliegende Wandung der Felge eingeschmolzen und eingespritzt werden,
wie dies beim Widerstands-Stumpfschweißen von Rohren immer der Fall ist. Das angewendete
Verfahren vermeidet ferner lose, eingeschlossene Metalltropfen im Innern des Hohlraumes.
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Durch Verwendung einer Schweißunterlage aus reinem Kupfer mit einer
Nut unter der Schweißnaht können bei diesem Verfahren sehr hohe Stromstärken angewendet
werden, woraus eine Schweißzeit resultiert, welche auf ein Minimum von etwa 5 Minuten
reduzierbar ist. Mit dieser Vorrichtung gemäß F i g. 8 ist es möglich, die Schweißung
bis zu 12 mm Wandstärke ohne Wurzelschweißung vorzunehmen.
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Das beidseitig konische Einsatzstück zum Zentrieren der Schweißnaht
erleichtert die Einstellung der
Felge auf genaue Umfangslänge und
sorgt dafür, daß an der inneren Seite der Schweißnaht keine Kerbe entstehen kann.
Dank der Verwendung einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung der Gattung 1,5
°/o Si und 10/, Mg kann die Felge ohne jeglichen Schutzüberzug in Betrieb
genommen werden.