DE2315090B2

DE2315090B2 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers

Info

Publication number: DE2315090B2
Application number: DE2315090A
Authority: DE
Inventors: Alex Prof. Dr. 5000 Koeln Troost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1973-03-27
Publication date: 1979-05-03
Also published as: US3879828A; BE812546A; DE2315090C3; JPS5029454A; FR2223130A1; ES424694A1; DE2315090A1; GB1467977A; IT1003904B; FR2223130B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstelleil eines aus Kern und Mantel kraftschlüssig gefügten, rotationssymmetrischen Verbundkörpers durch vorzugsweise thermisches und/oder metallurgisches Schrumpfen, bei dem mindestens eines der Teile vor dem Fügen so geformt bzw. verformt wird, daß sich unmittelbar danach zwischen dem Außendurchmesser des Kerns und dem Innendurchmesser des Mantels eine Wirkfuge befindet, die durch erneute Verformung des einen und/oder anderen Teils bis zur kraftschlüssigen Verbindung beider Teile reduziert wird und durch deren Anfangsweite der Verlauf der Schrumpfspannungen über die Länge des Verbundkörpers beeinflußt wird.

Bekanntlich wird beispielsweise bei rotationssymmetrischen Verbundkörpern in Schrumpfbauweise ein kraftschlüssiger, schubfester Verbund in der Schrumpffuge angestrebt, um beispielsweise für eine Biegebeanspruchung einen Körper zu erhalten, dessen Trägheitsmoment bei gleichem Gesamtquerschnitt wesentlich größer ist als die Summe der Einzelträgheitsmomente, so daß bei entsprechend höherem Widerstandsmoment entsprechend geringere Biegespannungen entstehen, die mit anderen örtlichen Spannungen, wie beispielsweise aus Querkraft, Torsionsmoment, Normalkraft und Schrumpfbeanspruchung, zusammengesetzt geringere Vergleichsspannungen ergeben.

Aus den vorgenannten Gründen bedient man sich beispielsweise beim Aufbau von mehrteiligen Walzkörpern, insbesondere bei der Herstellung von aus Kern und Mantel zusammengesetzten Stützwalzen der

Schrumpfbauweise. Diese Bauweise hat es ermöglicht,

durch Aufziehen eines Walzenmantel auf einen Kern eine Walze mit hoher Oberflächenhärte und zähem

Kern zu erhalten. Es fehlt jedoch den bekannten Ausführungen

in entweder die genügende Sicherheit gegen das örtliche Lösen des Mantels oder die Sicherheit, beispielsweise sogenannte Schalenausbrüche in der Manteloberfläche auszuschließen, weil eine zu geringe Schrumpfspannung das örtliche Loslösen das Mantels vom Kern bewirkt und eine zu große Schrumpfspannung beispielsweise die vorgenannten Ausbrüche begünstigt und die Belastbarkeit vermindert.

Auch können Belastungsüberschreitungen der Walzen dazu führen, daß aus der Aufschrumpfung des Mantels resultierende Restspannungen in der Längsund Tangentialrichtung zum Walzenkern die Ermüdungsbeständigkeit und die Widerstandsfähigkeit erheblich vermindern. Es kommt schließlich zum Versagen der Walze, dessen Ursache weitgehend in eiriem

F, Schlupf zwischen Kern und aufgeschrumpftem Mantel zu suchen ist *

Zum Befestigen /-.ines Walzenmantels auf dem Kern wurde auch schon vorgeschlagen, den Querschnitt der Sitzfläche des Kerns und des Walzenmantels nicht rotationssymmetrisch, sondern z. B. oval auszuführen. Dadurch läßt sich zwar ein Verbundkörper mit großer Sicherheit gegen Schlupf zwischen Mantel und Kern in Umfangsrichtung erzielen, eine Sicherheit gegen Schlupf in Axialrichtung ist jedoch damit noch

ji schwieriger erreichbar als bei rotationssymmetrischen Verbundkörpern.

Allgemein läßt sich eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit rotationssymmetrischer Verbundkörper nur erzielen, wenn die Restspannunqen aus der

Aufschrumpfung des Mantels heraogesetzt werden. Hierzu ist es erforderlich, das Schrumpfverhältnis so

klein wie möglich zu halten, ohne dabei aber den

Kraftschluß zwischen Mantel und Kern aufzuheben. Zur Verwirklichung dieser an sich einander mehr

oder weniger entgegenwirkenden Bedingungen wurde schon vorgeschlagen, das Mantel-Kern-Schrumpfverhältnis so klein wie möglich zu halten und die in Berührung kommenden Flächen mit einer Schicht eines Klebstoffs auszustatten.

«o Es hat sich jedoch gezeigt, daß bisher kein Klebstoff den Belastungen aus den unterschiedlichen Betriebsbeanspruchungen standhält, u. a. infolge des gegenüber dem Stahlwalzenwerkstoff um mehrere Größenordnungen kleineren Elastizitätsmoduls und der wesentlich

v, geringeren Festigkeit.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren, mit dem sich rotationssymmetrische Verbundkörper durch thermisches und/oder metallurgisches Schrumpfen herstellen lassen, so zu verbessern, daß ein ausreichend großes Schrumpfverhältnis gewährleistet bleibt und trotzdem die Widerstandsfähigkeit und damit die Belastbarkeit bzw. Lebensdauer des Verbundkörpers noch erhöht werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Anfangsweite der Wirkfuge der Größe nach dem Verlauf der sich über die Länge des Verbundkörpers ändernden Lastschubspan-

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nungen angepaßt wird.

Dieser entsprechend der Erfindung vorzunehmenden Änderung der Anfangsweite der Wirkfuge über die Länge des Verbundkörpers liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Bei Walzenkörpern bewirken die Arbeitswalzen, die von Stützwalzen gegen Verbiegen abgestützt werden, eine Verteilung der aus dem Walzvorgang im Walzspalt herrührenden Pressungen derart, daß zwischen Arbeitswalze und zugehöriger Stützwalze eine mehr oder weniger kontinuierlich über die Ballenlänge verteilte Presf-ung entsteht, die als Streckenbelastung die Stützwalze belastet

Aus dieser Streckenbelastung ergibt sich nach den Regeln der Statik für den als Balken auf zwei Stützen aufgefaßten Stützwalzenballen mit Ballenrandmomenten aus der Lagerkraft und ihrem Abstand vom Ballenrande ein sich vom linken zum rechten Ballenrand erstreckender, teilweise kontinuierlicher Verlauf der Querkraft und damit wegen der Proportionalität zur Querkraft ein entsprechender Verlauf der Schubspannungen über die Ballenbreite mit Nulldurc'tgang, der beispielsweise bei zur Ballenmitte symmetrischer Belastung in Ballenmitte liegt

Da zur Erzielung des Verbundes zwischen Kern und Mantel bei nicht querkraftfreier Biegebeanspruchung im wesentlichen die Deckung der Schubspannungen in der Wirkfuge infolge der Querkraft über die der Fügepressung proportionale Reibung notwendig ist, geht das erfindungsgemäße Verfahren dahin, über die Anfangsweite der Wirkfuge die Größe der Fügepressung bei nicht querkraftfreier Biegebeanspruchung dem Verlauf der Umhüllenden aller möglichen Querkraftfunktionen bzw. allgemein dem Verlauf der Lastschubspannungen unter Berücksichtigung der Biege- und « Dehnsteifigkeit der Mantelwandung anzupassen, wodurch sich infolge der damit geringeren Beanspruchung des Mantels bzw. des Kerns in Zusammensetzung mit der Beanspruchung aus der Belastung eine wesentlich geringere V"rgleichsspannung mit entsprechend höhe- -to rer Sicherheit gegen ein Versagen des Werkstoffs beispielsweise in Form von Schalenausbrüchen in der Mantelaußenlaibung einstellt oder bei gleicher Sicherheit eine wesentlich größere Belastbarkeit möglich ist.

Da die Fügepressung in der Wirkung dem Fügemaß, ■»■-> d. h. dem bezogenen Durchmesserouterschied, proportional ist, erfolgt die Anpassung der Anfangsweite der Wirkfuge an die Umhüllende aller möglichen Lastschubspannungsfunktionen nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, daß eine >o geringfügige, zur Mitte hin zunehmende konkave Abweichung von der zylindrischen Außenfläche des Kerns und/oder der zylindrischen Innenfläche des Mantels vorgesehen wird.

Bei einer weiteten Ausführungsmöglichkeit läuft die v, konkave Abweichung zu den Seiten hin aus, und über weiche Übergänge sind zylindrische Außenflächen des Kerns bzw. zylindrische Innenflächen des Mantels daran angeschlossen.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, so zu verfahren, wi daß die Größe der Abweichung nach einer Kurve verläuft, der eine mathematische Funktion zugrunde liegt, die aus der Verteilung der Lastspannungen, insbesondere der Lastschubspannungen, sowie der Schrumpfspannungen und der Verformbarkeit von Mantel und Kern ermittelt wird.

Es" versteht sich, daß dabei die Änderung des Fügemaßes, d. h. der Anfangsweite der Wirkfuge, über die gesamte Fügebreite auch in den Mantel gelegt bzw. in einem beliebigen Verhältnis auf Kern und Mantel aufgeteilt werden kann.

In dtr Zeichnung ist zur weiteren Erläuterung schematisch einem Beispiel eines nach dem bekannten Verfahren hergestellten Verbundkörpers ein Verbundkörper gegenübergestellt, bei dem die Erfindung angewendet worden ist

F i g. 1 zeigt eine bekannte, aus einem zylindrischen Kern und einem Mantel mit kreiszyUndrischer Innenfläche zusammengesetzte Walze. Die linke Walzenhälfte a ist im Zustand vor dem Aufschrumpfen und die rechte Walzenhälfte b im Zustand nach 6..Tt Aufschrumpfen des Mantels dargestellt

Neben c sind unter der rechten Walzenhälfte b die Schrumpfspannungen aufgetragen, die über die Walzenlänge der Größe nach unverändert bleiben.

Neben d sind die Biegespannungen infolge der Walzkraft aufgetragen, die vom Ballenrand zur Mitte hin zunehmen.

Neben e sind als Vergleichsspannungen die Gesamispannungen aufgetragen, die gleichfalls, wenn auch gegenüber den Biegespannungen in geringerem Maße, vom Ballenrand zur Mitte hin zunehmen.

F i g. 2 zeigt eine Walze, die gemäß der Erfindung aus einem Mantel mit kreiszylindrischer Innenfläche und einem zur Mitte hin konkav geschliffenen Kern zusammengesetzt ist. Wiederum ist die linke Walzenhälfte a im Zustand vor dem Aufschrumpfen und die rechte Walzenhälfte b im Zustand nach dem Aufschrumpfen des Mantels dargestellt.

Neben c sind die aufgrund der zunehmenden Anfangsweite der Wirkfuge vom Ballenrand zur Mitte hin ibnehmenden Schrumpfspannungen dargestellt

Neben d sind die infolge der Walzkraft vom Ballenrand zur Mitte hin zunehmenden Biegespannungen aufgetragen.

Neben e sind schließlich die Gesamtspannungen dargestellt, die, wie leicht erkennbar, sich über die Walzenbreite in nahezu unveränderter Größe erstrekken.

Wie die Gegenüberstellung zeigt, sind bei der gemäß der Erfindung hergestellten Walze die Schrumpfspannungen zur Mitte hin wesentlich reduziert. Die Biegespannungen bleiben unverändert.

Dia Gesamtspannungen bei dieser Walze überschreiten jedoch nicht den geringsten Betrag der Gesamtspannungen der *uf bekannte Weise hergestellten Walze, wie sie dort am Ballenrand auftreten.

Daraus geht deutlich der Gewinn an Belastbarkeit bzw. Erhöhung der Lebensdauer der erfindungsgemäß hergestellten WaLe gegenüber einer vergleichbaren Walze hervor, deren Teile auf herkömmliche Weise zusammengefügt worden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines aus Kern und Mantel kraftschlüssig gefügten, rotationssymmetrischen Verbundkörpers durch vorzugsweise thermisches und/oder metallurgisches Schrumpfen, bei dem mindestens eines der Teile vor dem Fügen so geformt bzw. verformt wird, daß sich unmittelbar danach zwischen dem Außendurchmesser des Kerns und dem Innendurchmesser des Mantels eine Wirkfuge befindet, die durch erneute Verformung des einen und/oder anderen Teils bis zur kraftschlüssigen Verbindung beider Teile reduziert wird und durch deren Anfangsweite der Verlauf der Schrumpfspannungen über die Länge des Verbundkörpers beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsweite der Wirkfuge der Größe nach dem Verlauf der sich über die Länge des Verbundkörpers ändernden Lastschubspannungen angepaßt wird.

Z Verführen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Anfangsweite der Wirkfuge durch eine geringfügige, zur Mitte hin zunehmende konkave Abweichung von der zylindrischen Außenfläche des Kerns und/oder der zylindrischen Innenfläche des Mantels erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Abweichung zu den Seiten hin ausläuft, wo mit weichen Übergängen zylindrische Außenflächen des Kerns bzw. zylindrische Innenflächen des Mantels angeschlossen sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Givße der Abweichung nach einer Kurve verläuft, der eine mathematische Funktion zugrunde liegt, die au der Verteilung der Lastspannungen, insbesondere der Lastschubspannungen, sowie der Schrumpfspannungen und der Verformbarkeit von Mantel und Kern ermittelt wird.