WO2016184639A1 - Verfahren zur herstellung einer wellen-naben-verbindung - Google Patents

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    • F16D1/0858—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping between the mating surfaces of the hub and shaft due to the elasticity of the hub (including shrink fits)

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a shaft-hub connection of workpieces of the same or different materials, wherein by means of a suitable material as an intermediate layer between the two workpieces to be joined a cohesive connection by appropriate heating of this material is Herge ⁇ provides.
  • Such compounds are used where, due to the component properties, for example in very different materials, or due to the technical conditions, such as very narrow spatial requirements, conventional methods can not be applied.
  • a shaft consisting of a steel and a turbine rotor made of a ceramic material or a titanium alloy may be mentioned.
  • the object of the invention is to propose a method with which shaft-hub connections with higher strength values can be achieved.
  • the object is achieved in that a rotationally symmetrical external surface (inner surface) and a rotationally ⁇ symetric inner surface of the second workpiece (outer surface) is provided on ei ⁇ nem first workpiece where ⁇ at the diameter of the outer surface and the inner surface of the ⁇ are selected, that the pairing is performed as a press fit ⁇ , and the two workpieces are axially alseinan ⁇ pressed before heating the material for the cohesive connection.
  • the material for cohesive connection of the workpieces is arranged in a radial gap axially between the workpieces, but it can also be arranged in a circumferential gap.
  • the bacteria ⁇ ing material is in the context of the press-fitting process of the Presspas- overall solution pressed against one or both end surfaces of the workpieces and then through appropriate heat input it ⁇ hitzt to enter into the metallurgical joint.
  • the material for the cohesive connection can be inserted as an annular disc in an axial gap between the workpieces or in the form of a socket in a circumferential gap between the workpieces.
  • the known from the prior art solution can be selected in which the material for the stoffschlüs ⁇ sige compound is already applied as a coating on a joining surface of one of the two workpieces.
  • the material for the integral bond can be applied by thermal spraying, electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) techniques on at least one bonding surface.
  • the workpiece is formed with the inner mating surface (outer surface) on the workpiece with the higher coefficient of thermal expansion. This is particularly useful when the manufactured component is to work later at higher temperatures, while conversely it may be appropriate in very cool or cold conditions to form the workpiece with the inner mating surface with a lower coefficient of thermal expansion.
  • the work piece having the outer surface (inner surface ⁇ ) of the fitting is heated prior to the pressing of the two workpieces.
  • the workpiece which the inner surface (outer surface) of the fit is to be cooled prior to straining the connection.
  • the figure shows an example of a part of a Turbinenra ⁇ des 10 as a first workpiece, which is connected to a shaft 12 as two ⁇ tes workpiece, wherein the two parts 10, 12 each have an annular axial end face 14, 16 on which ⁇ the two parts are connected.
  • an annular disk made of the nickel-based solder 18 is inserted into the radial gap between the two connecting surfaces, wherein the material can also be previously applied as a coating on one or even on both connecting surfaces 14, 16.
  • the shaft 12 is further provided with a hollow cylindrical projection 20, the outer diameter 22 of which is designed as an interference fit with respect to the diameter of an inner surface 24 in a hollow cylindrical bore of the turbine wheel 10. It has ⁇ ge shows that the resistance values can be significantly increased by this embodiment of the compound to a purely material bond, bringing the total in the Material selection or in the dimensions of the shaft-hub connection constructive margins are made possible.
  • the procedure of the method provides that initially heats the Turbi ⁇ nenrad 10 and / or the shaft are cooled 12, and these parts are then pressed in a suitable device axially into one another, so that the material 18 for the manufacture of the integral connection between the axial End faces 14, 16 is pressed. Subsequently, he ⁇ follows the heat input into the material 18, so that the material ⁇ conclusive connection is made, wherein during the melting, the two workpieces 10, 12 are moved axially, if necessary by a wide ⁇ res short distance relative to each other.
  • the method is well for a wide ⁇ material pairings between the two workpieces 10, 12th

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Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken (10, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials (18) als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken (10, 12) eine stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials (18) hergestellt wird. Um die Festigkeitswerte der Wellen-Naben-Verbindungen zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass an einem ersten Werkstück (12) eine rotationssymmetrische Außenfläche (22) und an dem zweiten Werkstück (10) eine rotationsymmetrische Innenfläche (24) ausgebildet wird, deren Durchmesser relativ zueinander derart gewählt sind, dass die Paarung eine Presspassung bildet, wobei die beiden Werkstücke (10, 12) vor dem Erhitzen des Materials (18) für die stoffschlüssige Verbindung axial verpresst werden.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken eine Stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials herge¬ stellt wird.
Derartige Verbindungen werden dort eingesetzt, wo aufgrund der Bauteileigenschaften, beispielsweise bei sehr unterschiedlichen Werkstoffen, oder aufgrund der technischen Gegebenheiten, wie beispielsweise sehr enge räumliche Vorgaben, übliche Verfahren nicht angewendet werden können. Als Bei¬ spiel sei die Verbindung einer aus einem Stahl bestehenden Welle mit einem Turbinenrotor aus einem keramischen Werkstoff oder einer Titanlegierung genannt.
Bekannt ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 006 300 AI, ein Zwischenteil einzulegen, das mit dem Bauteil aus Ti- tanaluminid verlötet und mit dem Bauteil aus dem anderen Me¬ tall verschweißt wird. Bekannt sind auch Lösungen, bei denen ein Zwischenkörper eingesetzt wird, der jeweils durch Reib¬ schweißen mit den beiden Körpern verbunden wird. Ein solches Verfahren ist aus der US 5 431 752 bekannt. Eine Lötverbindung zwischen einer an eine Welle angeformten Buchse und dem Turbinenrad wird in der US 2006/0021221 AI bekannt. Schlie߬ lich beschreibt die DE 10 2012 002 572 AI ein Verfahren, bei welchem ein Werkstück mit dem Material zuvor beschichtet wird, welches dann letztlich die Stoffschlüssige Verbindung mit dem anderen Werkstück durch den Wärmeeintrag eingeht.
Es hat sich gezeigt, dass die durch derartige Verfahren her¬ stellbaren Wellen-Naben-Verbindungen zwar sehr hohe Festigkeitswerte aufweisen, dennoch besteht ein Bedarf, die Festig¬ keit der derartigen Verbindungen weiter zu erhöhen, um weiter Gewicht und Bauraum einsparen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem sich Wellen-Naben-Verbindungen mit höheren Festigkeitswerten erreichen lassen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an ei¬ nem ersten Werkstück eine rotationssymetrische Außenfläche (innere Fläche) und an dem zweiten Werkstück eine rotations¬ symetrische Innenfläche (äußere Fläche) vorgesehen wird, wo¬ bei die Durchmesser der Außenfläche und der Innenfläche der¬ art gewählt sind, dass die Paarung als eine Presspassung aus¬ geführt wird, und die beiden Werkstücke vor dem Erhitzen des Materials für die Stoffschlüssige Verbindung axial aufeinan¬ der gepresst werden.
Es hat sich gezeigt, dass trotz des mechanisch aufwendigeren Aufbaus derartig hergestellte Wellen-Naben-Verbindung höhere Festigkeitswerte aufweist, so dass sich der konstruktive Spielraum bei der Materialwahl und der Festlegung der Dimension erweitern lässt. Vorzugsweise wird das Material zur Stoffschlüssigen Verbindung der Werkstücke in einem Radialspalt axial zwischen den Werkstücken angeordnet, es kann aber auch in einem Umfangsspalt angeordnet werden. Bei der bevorzugten Anordnung in einem Axialspalt, wird das zwischenlie¬ gende Material im Rahmen des Einpressvorgangs der Presspas- sung gegen eine oder beide Stirnflächen der Werkstücke ge- presst und anschließend durch geeigneten Wärmeeintrag er¬ hitzt, um die Stoffschlüssige Verbindung eingehen zu können.
Das Material für die Stoffschlüssige Verbindung kann als Ringscheibe in einen Axialspalt zwischen den Werkstücken oder in der Form einer Buchse in einem Umfangsspalt zwischen den Werkstücken eingelegt werden. Wie bereits eingangs erwähnt, kann aber auch die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung gewählt werden, bei welcher das Material für die stoffschlüs¬ sige Verbindung bereits als Beschichtung an einer Fügefläche eines der beiden Werkstücke aufgebracht ist.
Im Falle einer Beschichtung kann das Material für die stoffschlüssige Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronen- strahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Werkstück mit der inneren Passfläche (Außenfläche) an dem Werkstück mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn das hergestellte Bauteil später unter höheren Temperaturen arbeiten soll, während es umgekehrt bei sehr kühlen oder kalten Einsatzbedingungen zweckmäßig sein kann, das Werkstück mit der inneren Passfläche mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auszubilden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Werkstück, welches die äußere Fläche (Innen¬ fläche) der Passung aufweist, vor dem Verpressen der beiden Werkstücke erwärmt wird. Alternativ oder ergänzend kann vor dem Verpressen der beiden Werkstücke das Werkstück, welches die innere Fläche (Außenfläche) der Passung trägt, vor dem Verspannen der Verbindung gekühlt werden.
Der für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen notwendige Wärmeeintrag kann in üblicher Weise durch Elektro¬ nenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt werden. Das beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für Werkstücke aus unterschiedlichsten Werkstoffen, wie beispielsweise keramischen Materialien, Stahl, Titanlegierungen und sonstige Metalle, wobei als Mate¬ rial für die Stoffschlüssige Verbindung üblicherweise ein Ni¬ ckel-Basis-Lot ausgewählt wird. Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.
Die Abbildung zeigt als Beispiel einen Teil eines Turbinenra¬ des 10 als erstes Werkstück, das mit einer Welle 12 als zwei¬ tes Werkstück verbunden wird, wobei die beiden Teile 10, 12 jeweils über eine ringförmige Axialstirnfläche 14, 16 verfü¬ gen, an welcher die beiden Teile verbunden werden. Zur Vorbereitung des Fügeverfahrens wird in den Radialspalt zwischen den beiden Verbindungsflächen eine Ringscheibe aus dem Nickelbasislot 18 eingelegt, wobei das Material auch als Be- schichtung an einem oder auch an beiden Verbindungsflächen 14, 16 zuvor aufgetragen werden kann. Zur Erhöhung der durch die Verbindung übertragbaren Drehmomentwerte ist die Welle 12 ferner mit einem hohlzylindrischen Vorsprung 20 versehen, dessen Außendurchmesser 22 als Presspassung in Bezug auf den Durchmesser einer Innenfläche 24 in einer hohlzylindrischen Bohrung des Turbinenrades 10 ausgeführt sind. Es hat sich ge¬ zeigt, dass sich die Festigkeitswerte durch diese Ausführung der Verbindung gegenüber einer rein stoffschlüssigen Verbindung erheblich steigern lassen, so dass insgesamt bei der Werkstoffwähl oder bei den Abmessungen der Wellen-Naben- Verbindung konstruktive Spielräume ermöglicht werden.
Der Ablauf des Verfahrens sieht vor, dass zunächst das Turbi¬ nenrad 10 erwärmt und/oder die Welle 12 abgekühlt werden, und diese Teile anschließend in einer geeigneten Vorrichtung axial ineinander verpresst werden, so dass das Material 18 zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den axialen Stirnflächen 14, 16 eingepresst ist. Anschließend er¬ folgt der Wärmeeintrag in das Material 18, so dass die stoff¬ schlüssige Verbindung hergestellt wird, wobei während des Aufschmelzens die beiden Werkstücke 10, 12 ggf. um ein weite¬ res kurzes Wegstück relativ zueinander axial bewegt werden. Das Verfahren eignet sich für unterschiedlichstes Werkstoff¬ paarungen zwischen den beiden Werkstücken 10, 12.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Wellen-Naben-Verbindung von Werkstücken (10, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials (18) als Zwischenlage zwischen den beiden zu verbin¬ denden Werkstücken (10, 12) eine Stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials (18) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Werkstück (12) eine rotationssymetrische Außenflä¬ che (22) und an dem zweiten Werkstück (10) eine rotati- onssyemtrische Innenfläche (24) ausgebildet wird, deren Durchmesser relativ zueinander derart gewählt sind, dass die Paarung eine Presspassung bildet, wobei die beiden Werkstücke (10, 12) vor dem Erhitzen des Materials (18) für die Stoffschlüssige Verbindung axial verpresst wer¬ den .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur stoffschlüssigen Verbindung der Werkstücke (10, 12) in einem Radialspalt zwischen axialen Verbindungsflächen (14, 16) oder einem Umfangsspalt eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) als Ringscheibe in den Radialspalt ein¬ gelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) vor dem Verpressen der beiden Werkstücke (10, 12) auf wenigstens eine der beiden Ver¬ bindungsflächen (14, 16) für das Material als Beschich- tung aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) zur stoffschlüssigen Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronenstrahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche (14, 16) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) für die Stoffschlüssige Verbindung durch Auftragen einer Lotsuspension, die das Material für die stoffschlüssige Verbindung enthält, durch Siebdruck, Besprühen, Dispersion oder Roller-Coating auf wenigstens eine Verbindungsfläche (14, 16) aufgetragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die innere Passfläche (Au¬ ßenfläche 22) an dem Werkstück mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10), welches die äußere Fläche (Innenfläche 24) der Presspassung bil¬ det, vor dem Verpressen der beiden Passflächen erwärmt wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12), welches die innere Fläche (Außenfläche 22) der Presspassung bil¬ det, vor dem Verpressen der Passflächen gekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendige Wärmeeintrag durch Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt wird.
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