DE3104105A1 - Rotationsverbund von blechformteilen - Google Patents

Description

• hezeichnung der Anmeldung:Rotationsverbund von Blechformteilen
• Beschreibung Das Verfahren betrifft Weiterentwicklungen der Oberflächenverbundtechnik. Es bezieht sich auf gleiche und verschiedene Werkstoffe, d.h. Werkstoffkombinationen, bei denen mindestens einer metallisch, und zwar blechgeformt ist. Sein Ausgangspunkt liegt in einer größeren Anzahl von Erfahrungsfeldern und Grenzbereichen der form-, kraft- und stoffschlüssigen Verbundtechnik, insbesondere denen, die als Reibschweißen, Kaltpreßschweißen und Diffusionsschweißen bekannt sind. Ihnen ist in verbundtechnischer Hinsicht, sehr kurzzeitig bei ersteren, die Konzentration auf einen fast noch als zweidimensional zu bezeichnenden Berührungsflächenbereich gemeinsam. Reibschweißen ist charakterisiert durch ein spezielles Zusammenwirken von Außendruck und Temperaturfluß, wobei letzterer im hauptsächlichen Anwendungsfall unter den rotationssymmetrlschen Bedingungen des Vorgangs von der äußeren Umfangsfläche zur Mitte zunächst absinkt und sich erst später mittels Wärmeausgleich flächig im gesamten Berührungsfeld ausgleichend stabilisiert; das ist ebenso wie beim Kslt preßschweißen mit lokalen Verformungen verbunden, durch welche die Oxidhäute abräumbar bzw. aufreißbar sind, die dem stoff schlüssigen Verbund als zwischen den Metallen liegende Trennflächen hinderlich wären. Jede der genannten Verbundtechniken hat hat auf ihre Art ihre Nachteilzone, bei der Reibschweißtechnik neben Randbereichen die Begrenzung auf Rundstähle, beim Kaltpreßschweißen der hohe Verformungsgrad an der Verbindungsstelle und daraus folgende Anwendungsgrenzen. Es ist die Aufgabe der Neuentwicklung, zunächst unter strengem Bezug auf ein blechgeformtes Werkstück, sogar ein solches bis hin zu geringer. Blechdicke, einen kostengünstigen Verfahrensprozeß auszuarbeiten, notwendige Verformungen als positive Maßnahmen zum Zwecke später höherer Stabilität vorzusehen, einer späteren Abräumung ausgequetschten Werkstoffes nicht zu bedürfen und gleichzeitig eine vergleichbare Qualität der Verbundfestigkeit unter dem Gesichtspunkt zu erzielen, in der Kontaktflächenzone, die eine außerordentliche Beldausdehnung aufweisen kann, mindestens teilweise die als Volumendiffusion oder mindestens Korngrenzendiffusion bezeichneten Platzwechselvorgänge im Kristallgitter zu erzielen, die einem stoffschlüssigen Festigkeitsverbund dienlich sind, darüber hinaus aber durch die Methode eines Anlegens des Blechformteils am Außenumfang oder im Innenraum des anderen Werkstückes mit den im Vorgang erreichbaren Umfangänderungen einen Formschluß zu erreichen, der selbst bei verschiedenen Wärmeausdehnungswerten der verschiedenen Werkstoffe auch bei thermischer Belastung keine Zwis;chenraumbildung samt folgender Kontaktkorrosion (z.B. zwischen Aluminium und Stahl) nach sich zieht. Letzteres ist insbesondere dann immer sicher, wenn die elastischen Rückstellkräfte des Blechformteils auch nach Prozeßende Richtung Anlegefläche bestehen bleiben. Ist dies am Außenumfang nicht gleichzeitig erreichbar, dient eine Anzahl der in den Patentansprüchen bezeichneten Maßnahmen dazu, mittel zusätzlicher Sickenbildung von außen her bzw. mittels wallartiger Aufwölbungen von Abriebgut von innen her einen mindestens entsprechenden Festigkeitsausgleich zu erzielen. Dünnwandiges Blech tendiert alsdann unter bestimmten Vorgangsbedingungen auch beim Außenanlegen des Blechformteils zu ringartigen Umfansvergrößerungen, durch Temperatur und Werkstoffaiüiäufungen veranlaßt, gegen die in Anspruch Ib genannte Regel. In Anspruch 8 ist aus diesem Phänomen ein besonderes Festigkeitssteigerungsverfahren gebildet worden, ergänzbar durch die Ansprüche 16/17.
• Die Patentansprüche 1 bis 17 sind in funktioneller Einsicht um gegenständliche Genauigkeit bemüht. Der Hauptanspruch (1) gibt die prinzipielle Verfahrensübersicht und die Ansprüche 2 und 6 definieren verschiedene Folgeprobleme, die sich daraus ergeben, ob das Blechformteil (B) im Innenraum des Werkstückes A oder an dessen Außenumfang angelegt wird. Die Ansprüche 8 ff. behandeln weitere Problembereiche, die beiden Anlegemethoden des Blechformteils gemeinsam sind: Scherkantenabriebsformen, kolbenringartige Materialflußringe, oberflächenvorbereitende Vor#:iisdrehzahl, Anpreßdruck durch federbelastete Spreizköpfe, Integration dünnwandiger Blechringe, im gleichen Prozeß verfahren#;synchroner Verbund verschiedener Blechformteile u.a.m. Die Figuren 1 bis 7 unterstützen Beschreibung und Patentansprüche.

Claims (17)

1. Patentansprüche 1. Verbundverfahren gleicher oder unterschiedlicher Werkstoffe mittels rotationssymmetrischer Reibung unter Anpreßdruck, wobei mindestens ein Werkstück blechgeformt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale bzw. Verfahrensschritte : a) daß das Blechformteil (3) an einem anderen Werkstück (A) innen oder außen mindestens teilweise unter Anpreßdruck zum Anliegen - gebracht wird; b) daß mittels Rotation mindestens eines der beiden Werkstücke am Blechformteil (3) Umfangänderungen, und zwar in der Regel bei einem innen angelegten als Umfangvergrößerung und bei einem aussen angelegten als Umfangminderung, und zwar mindestens teilweise, stattfinden; c) daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Werkstoffpaarung ein Nichtausreichen der Oberflächenunebenheiten und Rauhigkeitsspitzen ergänzt wird durch zusätzliche Scherkanten bzw. systematisiert vorgesehene punktartige Scherspitzen aus oder am härteren Stoff zwecks flächigem Abrieb bzw. Einrillwirkung am Werkstoff des geringeren Formänderungswiderstandes und konzeptgelenkter Ausschwemmung des Abriebgutes oder dessen vorbestimmter Einlagerung im Reibzonenbereich, möglicherweise mittels wallartiger Ringbildung und wärmebegünstigter Formanpassung des Blechformteils ( oder auf andere Weise; <1) daß der definierte Reibprozeß zum Stillstand gebracht wird, plötzlich oder allmählich, durch einfaches Auskuppeln oder definierten (mit Drehzahlminderung verbundenen) Kupplungsabriß (z.B. durch Stiftbruch), je nach Umständen (z.B. bei konisch anliegenden Wandteilen von A und/oder B oder Anschlag eines Wandendes an der Wand des anderen Werkstoffes) ergänzbar durch zusätzlichen Stauchdruck; e) daß solche durch den Prozeß herbeigeführten Umfangänderungen des Elechformteils (B), die nach Prozeßende durch entgegenwirkende elastische Rückstellkräfte gefährdet wären, stabilisiert werden durch Maßnahmen innerhalb des Prozesses (wie durch magnetgeformte Sickung o.a.) oder nach Prozeßende (wie Schweißpunkt an Schlitzzusammenpressung o.a.).
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei gegenüber Werkstück A innen angelegtem Blechformteil B der Druck dadurch in den Vorgang gebracht wird, daß (vgl. Figuren 1 - 3) ein in der Regel konisches Blechformteil (160 in Fig.1), dessen größter Durchmesser (9) den Durchmesser des Innenraumes (67) von Werkstück A überschreitet, mit ansteigendem Einschlupf winkel unter elastischer Spannung in den gestaltfesten Innenraum (67) vor dem Reibprozeß mit einer Einpreßkraft eingebracht wird (vgl. Figur 2) und dieses gegenüber seiner ursprünglichen geometrischen Form unter elastischer Spannung im Verzerrungszustand befindliche Eindringteil (160) mit einem aus Wandstärke, Werkstoffkennwerten und Formgebung resultierenden Druck an der Wandung des Innenraumes (67) anliegt.
3. 3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Blechformteil B (160 in Fig.3) im Bereich seines größten Umfanges nach Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 b - d infolge Eindringens in die Wandung des Innenraumes (67) von Werkstück A eine Umfangerweiterung erfährt, deren Positionsstabilität neben mehr oder minder stoffschlüssigem Verbund durch gleichgerichtete elastische Rückstellkräfte unterstützt wird.
4. 4. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß größere Breite der reibenden Fläche mittels Durchmesservergrößerung (9;in Fig.1) und schlitzartiger Ausnehmung am Umfang auch bei größerer Blechdicke einbringbar ist, wobei der Schlitz mit geeigneter Scherkantenausformung versehen werden kann.
5. 5. Verfahren gemäß vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschwemmung von Abriebgut in Richtung der Durchmessez verkleinerung des konischen Eindringteils lenkbar ist, wodurch gleichzeitig jenseitig des Anstoßrandes (9) eine Versiegelung des Blechformteiles (160) an der Innenraumwandung (von 67) stattfindet.
6. 6. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß (vgl.

   Figuren 4 - 7) bei gegenüber Werkstück A außen angelegtem Blech formteil B (60 in Figuren 4 - 6) der Druck und die Möglichkeit zur Umfangminderung dadurch in den Vorgang gebracht wird, daß (vgl.Figur 6) vom offenen Umfangrand (61) her eine etwa schlitzartige Ausnehmung (5) vorgesehen ist, auf deren Enden gegensinnig (gemäß Figur 6) oder auf sonstige Weise eine stetige Kraftzubringung erfolgt, die als Anpreßkraft auf die Auße#wandung (66) des Werkstückes A wirkt.
7. 7. Verfahren gemäß vorigem Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die Reibzone beider Werkstücke (A und B) gemäß Anspruch 1 entweder seitens der Formgebung des Blechformteils B (60 in Figuren 4 und 5) flächig (63) oder als eingewinkelte Kante (61) oder sowohl flächig wie kantig mit Abstandraum (62) vorgesehen ist.
8. 8. Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß im Reibflächenbereich des Blechformteils (B) im Sinne abriebsteigernder Maßnahmen gemäß Anspruch 1c Auswölbungen punktartiger Spitzen bei kleinstmöglicher Feldfläche entweder einzeln oder in verteilter Vielzahl in der ganzen Reibzone oder in versetzter Anordnung zueinander so angebracht sind, daß sich im Vorgang ein innerer Materialflußring besonderer stoffschlüssiger Intensität und thermischer Konzentration oder mehrere davon (mit Abstand wie bei Kolbenringen) aufbauen.
9. 9. Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß vor der die eigentliche Reibwärme intensiv zubringenden Drehzahl eine Vorausdrehzahl geringerer Geschwindigkeit angelegt wird, welche zu große Oberflächenverschiedenheiten bzw.

   noppenartige Aufwölbungen (wie 65 in Figur 7) abbaut.
10. 10. Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl bei innen wie bei außen angelegtem Blechformteil B zur Erzielung des Anpreßdrucks federbelastete Spreizköpfe verwendet werden.
11. 11. Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß mittels Spreizkopfanpressung dünnwandige Blechinnenringe als Blechformteil im Sinne von Anspruch 1 an Innen- oder Außenwandungen von Werkstücken geringeren Formänderungswiderstandes (wie z.B. Aluminium) mindestens teilweise stoffschlüssig so angebracht werden, daß beispielsweise bei der Verwendung von Stahlblechringen beispieasweise bei Aluminiumrohren oder -profilen wanddurchdringende Stahlstifte (mit oder ohne Gewinde) beidseitig der durchdrungenen Aluminiumwandung breitflächige Stahlauflage zu vollziehen vermögen und ihre verschiedenen Zug-, Druck-Stauch- und Verwindungsbelastungen verbreitert in die Gestaltfestigkeit des Werkstückes A einbringen.
12. 12. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Reibprozeß verschiedene Bauelemente gleicher Art (.d.h. z.B. zwei oder mehr innen angelegte hlechformteile) oder verschiedener Art (d.h. zwei oder mehr innen und außen angelegte Blechformteile; z.3. 60 und 160 in Figuren 1 - 3) mit einem anderen Werkstück (A) verfestigt werden.
13. 13. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein Blechformteil anderen Werkstoffes als Werkstück A mit einem Werkstoff gleich A innen und außen beschichte ist (aluminisiertes Stahlblech-Formteil verbunden mit Aluminium Werkstück A).
14. 14. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß es mittels flexibel einstellbarer Geräte vollzogen wird, die den Vorgang ganz oder teilweise in Bezug auf alle Funktionen ob#ektbezogen durchführen.
15. 15. Verfahren gemäß vorigem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dase Sinschnürtechnik mittels Magnetumformung integriert wird.
16. 16. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in der Regel bei dünnwandigen Blechformteilen, die mit einer oder mehreren Scherspitzen (vgl.Anspruch 1c) versehen sind, auch bei Anlage am Umfang eines Werkstückes A auf schlitzartige Ausnehmungen gemäß Anspruch 6 verzichtet wird und ein an sich formschlUssig am Außenumfing von A anliegender Innenumfang des Blechformteils mit einer oder mehreren Scherspitzen, die nach innen herausragen, unter Einpreßdruck mit formver zerrender Wirkung darübergeschoben wird, sodaß aus letzterer der verfahrenserforderliche Druck zugebracht wird.
17. 17. Verfahren gemäß vorigem Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß zu weit hineinragende Scherspitzen in eine vorbereitete achsparallele Rille (am Außenumfang des Werkstückes A) einschiebbar sind oder erst nach schon übergeschobenem Teil B eingepreßt oder auch nur zeitweilig in den Vorgang gebracht werden.