WO2008106911A1 - Verfahren zur herstellung eines hochdruckspeicherrohres aus stahl für kraftstoffeinspritzanlagen sowie mit diesem verfahren hergestelltes hochdruckspeicherrohr - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines hochdruckspeicherrohres aus stahl für kraftstoffeinspritzanlagen sowie mit diesem verfahren hergestelltes hochdruckspeicherrohr Download PDF

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Uwe Lechtenfeld
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Definitions

  • the invention relates to methods for the production of a high-pressure storage steel from steel for fuel injection systems, according to the preamble of claim 1 and a high-pressure storage pipe according to claim 6.
  • High-pressure storage pipes for fuel injection systems of internal combustion engines are also referred to as common-rail system.
  • the pressure generation and the fuel injection are decoupled from each other in the common rail system.
  • a separate high-pressure pump continuously generates pressure which is stored in the central high-pressure accumulator independently of the injection sequence. From this reservoir, high-pressure lines lead to the individual injectors, which are assigned to the engine cylinders. The built-up pressure is permanently available in the fuel line.
  • These composite tubes consist of a relatively thin-walled inner and a relatively thick-walled outer tube part, which are connected to one another via a press fit.
  • the press fit is generated for example by cold drawing (DE 197 16 659 C2).
  • the inner tube part is made of a high-alloy, corrosion-resistant and high-strength steel in direct contact with the high-pressure fuel mixture, while the outer tube part usually consists of a non-alloyed or low-alloyed steel.
  • High-pressure accumulator pipes which have no line function but essentially storage function, must, in addition to the required mechanical properties, have a high fatigue strength in order to withstand the high and pulsating pressures present during operation. This requires an excellent with a very low roughness provided inside pipe surface, which can not be achieved with the known production method for high-pressure storage pipes. For example, roughness values of R z ⁇ 1.0 ⁇ m and Ra ⁇ 0.2 ⁇ m should be achieved.
  • High-pressure storage tubes are z. B. from DE 10 2004 030 394 B3 and DE 199 36 685 A1.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a high pressure storage steel of high fatigue strength for fuel injection systems, which overcomes the disadvantages of the known manufacturing method.
  • the high-pressure accumulator tube is formed as a composite tube, wherein a first inner tube part is inserted into a second outer tube part with little play, and the inner tube part by mechanical deformation without splitting and frictionally connected to the outer tube part becomes.
  • the mechanical forming consists of a rolling process in which the inner tube part using an oversized rolling tool moved therein, a plastic and the outer tube part undergoes elastic stretching, and after the forming process on the elastic resilience of the outer tube part, the inner tube part one of the operational pressurization adapted compressive residual stress is applied.
  • Tubular rolling is a method based on the principle of roll rolling with rolling interference in mated tube parts. This leads to a local expansion of the inner tube part in a matched outer tube part.
  • the inner tube part is plastically expanded by the rolling tool, which moves axially through the inner tube part with rolling interference.
  • the outer tube part is elastically deformed by the plastic expansion of the inner tube part, so that adjusts a high surface pressure after the spring back of the outer tube part in the joint gap and thus results in a frictional connection.
  • the stress concentrations and notch effect effects negatively influencing the fatigue strength can be reduced in such a way that a long service life of the storage tube is achieved.
  • the compressive stresses on the inner tube part introduced by the rolling process have a positive effect on the fatigue strength of the component. This can cause that the required in the known methods autofrettage treatment to increase the residual compressive stresses on the component or a complex additional smoothing of the inner surface with this method can be omitted depending on the requirements, so that the manufacturing cost can be further reduced. Even a time-consuming deep drilling process is no longer necessary.
  • Table 1 below shows by way of example the chemical composition for such a steel:
  • the high-pressure accumulator tube designed as a composite tube consists of a first inner tube part 2, which is inserted into a second outer tube part 1 with little play.
  • the composite pipe is produced by tube rolling (not shown here) in such a way that after the rolling-in process via the elastic springback of the outer pipe part 1, the inner pipe part 2 is subjected to a compressive residual stress adapted to the operating pressure and the inner surface of the inner pipe part 1 has roughness values of R 2 in the range of ⁇ 1, 0 microns and a roughness R a in the range of ⁇ 0.2 microns have.
  • the outer tube part 1 is formed relatively thick-walled and consists of a non-alloyed or low-alloy steel.
  • the inner tube part 1 is formed relatively thin-walled and consists of a plastic deformation adapted during Rohrinwalzen high alloyed
  • the high-pressure storage tube is provided at one end with a sealing plug 5.
  • the composite tube is provided with a corresponding number of continuous radial bores 3, on which coaxial ports 4 are mounted for the pressure lines on the outer tube part.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohres als Verbundrohr aus Stahl für Drucke bis 1800 bar und darüber mit hoher statischer Festigkeit und Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen mit Common-Rail-Systemen für Brennkraftmaschinen, wobei ein erstes inneres Rohrteil (2) in ein zweites äußeres Rohrteil (1) mit geringem Spiel eingeschoben wird und das innere Rohrteil (2) durch mechanische Umformung spaltfrei und kraftschlüssig mit dem äußeren Rohrteil (1) verbunden wird. Um eine hohe Dauerschwingfestigkeit zu erreichen ist vorgesehen, dass die mechanische Umformung aus einem Einwalzprozess besteht, wobei das innere Rohrteil (2) unter Verwendung eines darin verfahrenen, mit Übermaß versehenen Walzwerkzeuges eine plastische und das äußere Rohrteil (1) eine elastische Dehnung erfährt und nach dem Umformprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils das innere Rohrteil (2) mit einer dem Betriebsdruck angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird. Das so hergestellte Hochdruckspeicherrohr zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenoberfläche des inneren Rohrteils (2) eine Rauhigkeit Rz im Bereich von ≤ 1,0 μm und eine Rauhigkeit Ra im Bereich von ≤ 0,2 μm aufweist.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HOCHDRUCKSPEICHERROHRES AUS STAHL FÜR KRAFTSTOFFEINSPRITZANLAGEN SOWIE MIT DIESEM VERFAHREN HERGESTELLTES HOCHDRUCKSPEICHERROHR
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Hersteilung eines Hochdruckspeicherrohes aus Stahl für Kraftstoffeinspritzanlagen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Hochdruckspeicherrohr gemäß Patentanspruch 6.
Hochdruckspeicherrohre für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen werden auch als Common-Rail-System bezeichnet. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander entkoppelt.
Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt kontinuierlich Druck, der unabhängig von der Einspritzfolge im zentralen Hochdruckspeicher gespeichert wird. Von diesem Speicher führen Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren, die den Motorzylindern zugeordnet sind. Der aufgebaute Druck steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung.
Um bei Einspritzdrücken von heute bis zu 1800 bar den hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und dem Korrosions- und Kavitationswiderstand gerecht zu werden, ist es für Bauteile, die weniger eine Speicherfunktion als vielmehr eine Leitungsfunktion ausüben, wie die Kraftstoffhochdruckleitungen, z. B. aus den Schriften DE 203 17 565 U1 , DE 198 08 012 C2 und DE 197 16 659 C2 bekannt, diese als Verbundrohre auszuführen.
Diese Verbundrohre bestehen aus einem relativ dünnwandigen inneren und einem relativ dickwandigen äußeren Rohrteil, die über einen Presssitz miteinander verbunden sind. Der Presssitz wird beispielsweise durch Kaltziehen (DE 197 16 659 C2) erzeugt.
Das innere Rohrteil besteht aufgrund des im direkten Kontakt mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffgemisch aus einem hochlegierten, korrosionsbeständigen und hochfesten Stahl, während das äußere Rohrteil üblicherweise aus einem un- oder niedriglegierten Stahl besteht. Hochdruckspeicherrohre, die keine Leitungsfunktion sondern im Wesentlichen Speicherfunktion haben, müssen neben den erforderlichen mechanischen Eigenschaften, eine hohe Dauerschwingfestigkeit aufweisen, um den im Betrieb vorhandenen hohen und pulsierenden Drücken standzuhalten. Hierzu bedarf es einer hervorragenden mit einer sehr niedrigen Rauheit versehenen Rohrinnenoberfläche, die mit den bekannten Herstellungsverfahren für Hochdruckspeicherrohre nicht zu erreichen ist. Beispielsweise sollten Rauheitswerte von Rz≤ 1,0 μm und Ra ≤ 0,2 μm erreicht werden.
Hochdruckspeicherrohre sind z. B. aus der DE 10 2004 030 394 B3 und der DE 199 36 685 A1 bekannt.
Um den hohen Oberflächenanforderungen gerecht zu werden, ist es bekannt, die Hochdruckspeicherrohre aus nur aus einem Rohrteil bestehenden Rohr mittels Tiefbohrung aus Vollmaterial herzustellen oder kaltgefertigte, nahtlose oder geschweißte Präzisionsstahlrohre in zwei Zügen kalt nachgezogen, zu verwenden.
Nachteile des Tiefbohrens sind der hohe Materialeinsatz und der aufwändige Tiefbohrprozess. Die Oberflächenqualität und die Eigenschaften der Bohrungsrandzone entsprechen oftmals nicht den Anforderungen, und die geforderte hohe Dauerschwingfestigkeit wird nur über einen zusätzlichen Autofrettageprozess erreicht.
Bei kaltgefertigten Rohren verursacht der zweimalige Ziehprozess hohe Kosten, die Rohre weisen oftmals keine ausreichende Oberflächenqualität und unzureichende Randzoneneigenschaften auf und eine kostenaufwändige Autofrettage ist ebenfalls notwendig. Bei einem aus der DE 103 03 853 A1 bekannten Hochdruckspeicherrohr, handelt es sich um ein Verbundrohr aus zwei Rohrteilen, die durch Erwärmung bzw. Schrumpfung miteinander verbunden sind. Nachteilig ist auch hier, dass das innere Rohrteil tiefgebohrt hergestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohes aus Stahl mit hoher Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen anzugeben, das die Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren überwindet.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren angewandt, bei dem das Hochdruckspeicherrohr als Verbundrohr ausgebildet ist, wobei ein erstes inneres Rohrteil in eine zweites äußeres Rohrteil mit geringem Spiel eingeschoben wird, und das innere Rohrteil durch mechanische Umformung spaltfrei und kraftschlüssig mit dem äußeren Rohrteil verbunden wird.
Die mechanische Umformung besteht aus einem Einwalzprozess, bei dem das innere Rohrteil unter Verwendung eines darin verfahrenen, mit Übermaß versehenen Walzwerkzeuges, eine plastische und das äußere Rohrteil eine elastische Dehnung erfährt, und nach dem Umformprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils das innere Rohrteil mit einer der betrieblichen Druckbeaufschlagung angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird.
Das Rohreinwalzen ist ein Verfahren, das auf dem Prinzip des Glattwalzens mit Walzübermaß in zusammengesteckten Rohrteilen beruht. Dabei kommt es zu einer lokalen Aufweitung des inneren Rohrteils in einem angepassten äußeren Rohrteil. Das innere .Rohrteil wird durch das Walzwerkzeug, das mit Walzübermaß axial durch das innere Rohrteil verfährt, plastisch aufgeweitet.
Ist nur ein geringes Spiel zwischen innerem und äußeren Rohrteil vorhanden wird das äußere Rohrteil durch die plastische Aufweitung des inneren Rohrteils elastisch verformt, so dass sich nach der Rückfederung des äußeren Rohrteils im Fügespalt eine hohe Flächenpressung einstellt und so eine kraftschlüssige Verbindung ergibt.
Dieses bislang zur Herstellung von Hochdruckspeicherrohren aus Verbundrohren unübliche Verfahren konnte nach umfangreichen Untersuchungen für diesen Anwendungsfall so adaptiert werden, dass nun die einzuhaltenden Oberflächenanforderungen bei gleichzeitiger Senkung der Fertigungskosten im Vergleich zu den bekannten Verfahren möglich ist.
Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbaren sehr geringen Rauhigkeitswerte im Bereich von R∑ < 1 ,0 μm und Ra ≤ 0,2 μm lassen sich die Dauerschwingfestigkeit negativ beeinflussende Spannungskonzentrationen und Kerbwirkungseffekte so reduzieren, dass eine hohe Lebensdauer des Speicherrohres erreicht wird.
Die durch den Einwalzprozess eingebrachten Druckeigenspannungen auf das innere Rohrteil beeinflussen die Dauerschwingfestigkeit des Bauteils positiv. Dies kann dazu führen, dass auch die bei den bekannten Verfahren notwendige Autofrettagebehandlung zur Erhöhung der Druckeigenspannungen auf das Bauteil oder eine aufwändige zusätzliche Glättung der Innenoberfläche mit diesem Verfahren abhängig von den gestellten Anforderungen entfallen kann, so dass die Fertigungskosten nochmals reduziert werden können. Auch ein aufwändiger Tiefbohrprozess ist nicht mehr notwendig.
Zur Realisierung der hohen Dauerschwingfestigkeit des Hochdruckspeicherrohres bei gleichzeitiger Reduzierung der Materialkosten lassen sich vorteilhaft Materialkombinationen einsetzen, die den unterschiedlichen Anforderungen an das innere und äußere Rohrteil gerecht werden.
Da bei der plastischen Umformung die Anforderungen an das Umformvermögen des inneren Rohrteils beim Rohreinwalzen besonders hoch sind, wird für das innere Rohr vorteilhaft ein hochlegierter Stahl mit hoher Zähigkeit eingesetzt.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt beispielhaft die chemische Zusammensetzung für einen solchen Stahl:
Figure imgf000006_0001
Tabelle 1
Die Umformbeanspruchungen für das äußere Rohrteil sind dagegen geringer, da das Rohrteil nur im elastischen Bereich verformt wird. Aus diesem Grund kann für das äußere Rohr vorteilhafterweise ein preiswerterer un- oder niedriglegierter Stahl eingesetzt werden, wie er beispielsweise in der Tabelle 2 dargestellt ist:
Figure imgf000006_0002
Tabelle 2
Bei besonderen Anforderungen ist es zudem möglich beide Rohrteile aus dem gleichen Werkstoff herzustellen. Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Das als Verbundrohr ausgebildete Hochdruckspeicherrohr besteht aus einem ersten inneren Rohrteil 2, welches in ein zweites äußeres Rohrteil 1 mit geringem Spiel eingeschoben ist.
Erfindungsgemäß ist das Verbundrohr durch Rohreinwalzen (hier nicht dargestellt) in der Weise hergestellt, dass nach dem Einwalzprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils 1, das innere Rohrteil 2 mit einer dem Betriebsdruck angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird und die Innenoberfläche des inneren Rohrteils 1 Rauhigkeitswerte von R2 im Bereich von ≤ 1 ,0 μm und eine Rauhigkeit Ra im Bereich von < 0,2 μm aufweisen.
Das äußere Rohrteil 1 ist relativ dickwandig ausgebildet und besteht aus einem un- oder niedriglegierten Stahl. Das innere Rohrteil 1 ist relativ dünnwandig ausgebildet und besteht aus einem der plastischen Verformung beim Rohreinwalzen angepassten hochlegierten
Werkstoff.
Um einen Innendruck aufbauen zu können ist das Hochdruckspeicherrohr an einem Ende mit einem Abdichtstopfen 5 versehen.
Zum Anschließen von Druckleitungen für die Einspritzdüsen an das Hochdruckspeicherrohr, ist das Verbundrohr mit einer entsprechenden Anzahl an durchgehenden Radialbohrungen 3 versehen, auf denen am äußeren Rohrteil 1 koaxial Anschlüsse 4 für die Druckleitungen angebracht sind.
Bezugszeichenliste
Figure imgf000008_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohres als Verbundrohr aus Stahl für Drücke bis 1800 bar und darüber mit hoher statischer Festigkeit und Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen mit Common-Rail-Systemen für Brennkraftmaschinen, wobei ein erstes inneres Rohrteil in ein zweites äußeres Rohrteil mit geringem Spiel eingeschoben wird und das innere Rohrteil durch mechanische Umformung spaltfrei und kraftschlüssig mit dem äußeren Rohrteil verbunden wird dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Umformung aus einem Einwalzprozess besteht, wobei das innere Rohrteil unter Verwendung eines darin verfahrenen, mit Übermaß versehenen Walzwerkzeuges eine plastische und das äußere Rohrteil eine elastische Dehnung erfährt und nach dem Umformprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils das innere Rohrteil mit einer dem Betriebsdruck angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das innere und das äußere Rohrteil aus unterschiedlich legierten Werkstoffen besteht, wobei das äußere Rohrteil aus einem hochfesten Werkstoff und das innere Rohrteil aus einem hochfesten Werkstoff mit großem Umformvermögen besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohrteil aus einem un- oder niedriglegierten und das innere Rohrteil aus einem hochlegierten Werkstoff besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das äußere- und innere Rohrteil aus dem gleichen Werkstoff besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohrteil eine im Vergleich zum äußeren Rohrteil geringere Wanddicke aufweist.
6. Hochdruckspeicherrohr als Verbundrohr aus Stahl für Drücke bis 1800 bar und darüber mit hoher statischer Festigkeit und Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen mit Common-Rail-Systemen für Brennkraftmaschinen, hergestellt mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundrohr aus einem nahtlosen oder geschweißten inneren Rohrteil (2) und aus einem nahtlosen oder geschweißten äußeren Rohrteil (1) besteht und die Innenoberfläche des inneren Rohrteils eine Rauhigkeit Rz im Bereich von < 1 ,0 μm und eine Rauhigkeit R3 im Bereich von < 0,2 μm aufweist.
7. Hochdruckspeicherrohr nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohrteil (2) aus einem hochlegierten und das äußere Rohrteil (1) aus einem un- oder niedriglegierten Stahl besteht.
8. Hochdruckspeicherrohr nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das innere- (2) und äußere Rohrteil (1 ) aus dem gleichen Werkstoff bestehen.
9. Hochdruckspeicherrohr nach einem der Ansprüche 6 - 8 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohrteil (2) eine im Vergleich zum äußeren Rohrteil (1 ) geringere Wanddicke aufweist.
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