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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier
insbesondere rohrförmiger Bauteile
mittels eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens sowie ein hiermit
hergestelltes Werkstück. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung das Fügen von Rohrenden mittels Wirkmedien.
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In
zahlreichen Industriezweigen haben sich wirkmedienbasierte Umformverfahren
am Markt etabliert, wie insbesondere das Innenhochdruck-Umformen
(IHU). Insbesondere im Automobilbau werden Bauteile, wie z.B. Elemente
der Abgasanlage, Strukturbauteile oder auch Antriebselemente mit
derartigen wirkmedienbasierten Umformverfahren hergestellt.
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Eine
Optimierung der Prozesskette zur Herstellung der Bauteile und damit
eine Reduzierung der Fertigungskosten kann beim Innenhochdruck-Umformen
erreicht werden, indem möglichst
viele weitere Bearbeitungsschritte in den Umformvorgang integriert
werden. Eine der möglichen
Verfahrensintegrationen ist das Fügen von Bauteilen im IHU-Prozess. Neben
dem Fügen
von Zusatzelementen, wie es beispielsweise bei den gebauten Nockenwellen
(Nocken-Rohr) Anwendung findet, können auch mehrere Rohre miteinander
verbunden werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Fügen zweier
insbesondere rohrförmiger
Bauteile mittels eines wirkmedienbasierten Umformvertahrens anzugeben,
bei dem ein linienförmiges
Fügen ohne
Zusatzelemente zur Ausbildung einer Hinterschneidung im Fügebereich
beim Verbinden mittels Innenhochdruck-Umformens ermöglicht ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird gelöst durch
ein Verfahren zum Fügen
zweier insbesondere rohrförmiger
Bauteile mittels eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens, bei
dem die Bauteile zum Fügen
mit überlappenden
Endabschnitten in einem Innenhochdruck-Umformwerkzeug angeordnet
werden, zumindest ein Formelement als form- und/oder kraftschlüssige Verbindung
mittels Wirkmedium im Überlappungsbereich
ausgebildet wird und die überlappenden
Endabschnitte der Bauteile eine Dichtkante und/oder eine Dichtfläche zur
Wirkmedienabdichtung beim Fügen
bilden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein linienförmiges
Fügen von
Rohrenden mittels Wirkmedien ohne Zusatzelemente zur Ausbildung
einer Hinterschneidung im Fügebereich
ermöglicht, wobei
Formelemente ausgeformt werden, die eine form- und kraftschlüssige Verbindung
ergeben. Über die
Dichtkante und/oder die Dichtfläche
wird eine Leckage zwischen den rohrförmigen Bauteilen sicher verhindert,
wodurch eine Ausformung der Fügestelle ermöglicht wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Ausbildung der Dichtkante und/oder der Dichtfläche durch
eine Vergrößerung eines
Innendurchmessers im Bereich des überlappenden Endabschnittes
an einem der Bauteile, wobei eine entstehende Stufe als Anlage für eine Stirnfläche des überlappenden
Endabschnitts des anderen der Bauteile dient. In Verbindung hiermit
bzw. alternativ hierzu kann die Ausbildung der Dichtkante und/oder
der Dichtfläche
durch eine Verringerung eines Außendurchmessers im Bereich
des überlappten
Endabschnittes eines der Bauteile erfolgen, wobei eine entstehende
Stufe als Anlage für
eine Stirnfläche
des überlappenden
Endabschnittes des anderen der Bauteile dient. Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird zur Erzeugung der Dichtkante und/oder der Dichtfläche gleichzeitig
der Innendurchmesser im Bereich des überlappenden Endabschnittes
des einen der Bauteile derart vergrößert und der Außendurchmesser
im Bereich des überlappenden
Endabschnittes des anderen der Bauteile derart verringert, dass
der entstehende Innendurchmesser und der entstehende Außendurchmesser
im wesentlichen übereinstimmen,
wobei durch das Überlappen
der Bauteile zwei Dichtkanten über
einen gesamten Querschnitt gebildet werden können. Insbesondere in dieser
Ausbildung ist ein Fügen
zweier verschieden dicker Rohre ermöglicht.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird zur Erzeugung der Dichtfläche
an einem der zu fügenden
Bauteile im Bereich des überlappenden
Endabschnittes ein konisch aufgeweiteter Innendurchmesser und am
anderen der zu fügenden Bauteile
im Bereich des überlappenden
Endabschnittes ein konisch verjüngter
Außendurchmesser
vor dem Fügen
ausgebildet.
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Das
Formelement kann vorzugsweise als eine umlaufende Sicke oder als
eine flächenförmige, nicht
vollständig
umlaufende Sicke ausgebildet werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn zumindest eines der Bauteile während des
Fügens
mit einer Axialkraft entlang dessen Längserstreckung (insbesondere über Axialstempel)
beaufschlagt wird.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Bauteile im Innenhochdruck-Umformwerkzeug
in Verlängerung
zueinander angeordnet werden, wobei Längsachsen der Bauteile im Bereich
der überlappenden Endabschnitte
der Bauteile parallel und insbesondere koaxial zueinander angeordnet
werden. Diese relative Anordnung der Bauteile zueinander wird im Rahmen
dieser Anmeldung auch als „linienförmig" bezeichnet.
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Es
ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein mittels
eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens hergestelltes Werkstück anzugeben,
bei dem die Bauteile in Verlängerung
zueinander („linienförmig") angeordnet sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Werkstück
aus zumindest zwei rohrförmigen
Bauteilen, bei dem an den Bauteilen vor einem Ausformen eines Formelementes
zur form- und/oder kraftschlüssigen
Verbindung der Bauteile mittels eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens
eine Dichtkante und/oder eine Dichtfläche ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Überlappungsbereichs
zweier zu fügender
Bauteile mit einer Abdichtung im Fügebereich mittels Dichtkanten,
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2 eine
schematische Darstellung eines Überlappungsbereichs
zweier zu fügender
Bauteile mit einer Abdichtung im Fügebereich mittels Dichtfläche,
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3A eine
räumliche,
teilweise geschnittene und schematische Darstellung eines Fügebereichs
nach dem Fügevorgang
mit einer als umlaufende Sicke ausgebildeten Fügeverbindung,
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3B eine
räumliche,
schematische Darstellung eines Fügebereichs
nach dem Fügevorgang mit
einer zwei flächenförmige Sicken
aufweisenden Fügeverbindung,
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4 eine
Abbildung einer aufgeschnittenen Fügeverbindung nach dem Fügevorgang
zweier Rohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern,
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5 eine
räumliche
Abbildung zweier gefügter
Rohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern mit konischer Dichtfläche,
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6 eine
räumliche
Abbildung zweier gefügter
Rohre mit im wesentlichen gleichen Rohrdurchmessern mit zwei Dichtkanten,
und
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7 und 8 schematische
Darstellungen des Überlappungsbereichs
zweier zu fügender Bauteile
mit einer Abdichtung mittels Klebstoff.
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Zur
Ausbildung eines Formelementes/mehrerer Formelemente zum Verbinden
von hohlen Bauteilen mittels des vorliegenden wirkmedienbasierten Umformverfahren,
wird in einem Innenraum der Bauteile ein Wirkmediendruck erzeugt.
Um die Ausformung des Formelementes zu ermöglichen, muss gewährleistet
werden, dass keine Leckage zwischen den Hohlräumen der Rohre auftritt. In
Abhängigkeit der
Eingangsgrößen sind
hierbei verschiedene Dichtstrategien möglich.
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Zum
einen kann die Abdichtung mittels zumindest einer Dichtkante 3 zwischen
den Bauteilen 1, 2 erfolgen. Entsprechend vorbereitete
und ineinander gesteckte rohrförmige
Bauteile 1, 2 mit der Ausbildung zweier umlaufender
Dichtkanten 3 hierfür sind
in 1 gezeigt.
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Alternativ
zur Ausbildung einer Dichtkante 3 bzw. in Kombination hiermit
kann auch eine Abdichtung über
eine Dichtfläche 30 zwischen
den Bauteilen 10, 20 realisiert werden. Dabei
wird einer der Fügepartner 20 konisch
aufgeweitet, wobei der andere Fügepartner 10 konisch
verjüngt
wird, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Zur
Ausbildung der Dichtkanten 3 nach 1 erfolgt
an dem in 1 rechts angeordneten Ausgangsbauteil 1 einer
Vergrößerung des
Innendurchmessers von dem ursprünglichen
Durchmesser d1 auf den vergrößerten Durchmesser
d2, sowie am in 1 links angeordneten Ausgangsbauteil 2 eine Verringerung
des Außendurchmessers
von dem ursprünglichen
Durchmesser D3 auf den verringerten Durchmesser D4. Das rechts angeordnete
Ausgangsbauteil weist daher einen „stufenartigen" Sprung an der Innenumfangsfläche auf.
Das links angeordnete Ausgangsbauteil weist einen „stufenartigen" Sprung an der Außenumfangsfläche auf.
Hierbei erfolgt eine Passung der Durchmesser d2 und D4 derart, dass
ein Ineinanderstecken ermöglicht
ist.
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Nach
diesen Vorbereitungsschritten werden die Hohlkörper mit ihren Randbereichen
ineinander gesteckt. Die stirnseitigen Flächen gelangen beim Ineinanderstecken
der Bauteile (der Halbzeuge) in Kontakt mit den an den Umfangsflächen gebildeten Stufen
und erzeugen hierdurch zwei Dichtkanten über den gesamten Querschnitt,
wie aus 1 ersichtlich. Die Abdichtung
erfolgt somit stirnseitig zwischen den beiden rohrförmigen Bauteilen.
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Bei
den vorliegenden Ausführungsbeispielen des
Verfahrens wird auf jeden Fall gewährleistet, dass die „innere" Dichtkante (also
die dem Innenraum der Halbzeuge näher liegende Dichtkante, also die
in 1 links angeordnete Dichtkante) dicht ist. Wenn
sich das Fluid zwischen die zwei zu fügenden Halbzeuge setzten würde, entstünde ein
Gegendruck auf das innere Rohr, wodurch eine Ausformung der Fügestelle
nicht mehr möglich
wäre. Nur
das äußere Rohr
würde sich
in dem Falle ausformen, das innere Rohr bliebe unverformt.
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Über die
Ausbildung der Dichtkanten können auch
Bauteile gefügt
werden, die unterschiedliche Wanddicken aufweisen. In diesem Fall
wird am rohrförmigen
Bauteil mit größerer Wanddicke
je nach Wanddickenunterschied der Innendurchmesser vergrößert. Der
Außendurchmesser
des Fügepartners kann
dann entsprechend dem gewählten
Innendurchmesser des ersten rohrförmigen Bauteiles verringert
werden. Alternativ hierzu kann jedoch auch der Außendurchmesser
des Fügepartners
unverändert
bleiben, wenn der Innendurchmesser des ersten Fügepartners dem Außendurchmesser
entspricht.
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Alternativ
zur Ausbildung einer Dichtkante bzw. in Kombination hiermit kann
auch eine Abdichtung über
eine Dichtfläche
realisiert werden. Dabei wird einer der Fügepartner konisch aufgeweitet,
wobei der andere Hohlkörper
konisch verjüngt
wird, wie dies in 2 dargestellt ist. Dieses Verfahren
kann unter anderem bei Hohlkörpern
mit unterschiedlichen Durchmessern oder dem Fügen von rotations- mit nichtrotationssymmetrischen
Hohlkörpern
angewandt werden.
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An
der Fügestelle
wird zumindest ein Formelement 4, 5, 6 mittels
des wirkmedienbasierten Umformens ausgebildet, wie dies in den 3A und 3B für eine umlaufende
Sicke 4 bzw. zwei flächenförmige Sicken 5, 6 dargestellt
ist.
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Eine
Geometrie des bzw. der ausgebildeten Formelemente 4,5,6 kann
abhängig
von der erwarteten Belastung auf das herzustellende Werkstück ausgebildet
werden.
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Beispielsweise
kann für
eine im wesentlichen axiale Belastung eine umlaufende Sicke 4 ausgeformt
werden, wie dies in 3A dargestellt ist.
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Liegt
neben der axialen noch eine relevante tangentiale Belastung am Bauteil
(im Einsatzfall) vor, kann die Ausformung der Formelemente 5, 6 auch nicht
vollständig
umlaufend (d.h. also „flächenförmig") erfolgen, so dass
eine Verdrehsicherung gewährleistet
ist (3B).
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens umfaßt
das Fügen der
Rohrenden mittels Innenhochdruck das Anbringen von Dichtkante 3/Dichtfläche zur
Vorbereitung der Rohre 1, 2, das Einlegen der
Rohre 1, 2 in die Werkzeuggravur des Innenhochdruck-Umformwerkzeuges,
das Schließen
des Innenhochdruck-Werkzeuges, das Beaufschlagen des entstandenen
Hohlkörpers
mit einer Axialkraft mit Hilfe von Axialstempeln, die Erzeugung
von Innenhochdruck und damit die Ausformung der Formelemente 4, 5, 6 und
die Entlastung und Entnahme der gefügten Rohre 1, 2.
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Mit
den vorgenannten Ausführungsbeispielen
des Verfahrens ist es auch vorteilhafter Weise möglich, Hohlkörper ohne
Zusatzelemente in einer linienförmigen
Verbindung zu fügen.
Je nach Verwendung der unterschiedlichen Dichtvarianten können auch
rotations- und nichtrotationssymmetrische Bauteile miteinander verbunden
werden. Gleichfalls können
auch Bauteile mit unterschiedlichen Durchmessern und Wanddicken
gefügt
werden.
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Ein
zu Versuchszwecken hergestelltes Werkstück aus zwei Rohren mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern
ist in 4 als Schnitt durch den Bereich der Fügeverbindung
mit einer Dichtfläche 30 nach 2 abgebildet.
Der Unterschied im Durchmesser der Rohre hieraus klar ersichtlich.
Ebenfalls ist die in diesem Ausführungsbeispiel
umlaufende Sicke 40, welche ohne die Verwendung von Formstempeln
ausgeformt ist, ersichtlich.
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Das
vorliegende Verfahren ist insbesondere bei der Verwendung von Strukturkomponenten
in vorteilhafter Weise einsetzbar.
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Besonders
vorteilhaft an dem vorliegenden Verfahren ist, dass das Fügen der
beiden bzw. von mehreren Werkstücken
mit dem Wirkmedium ohne Zusatzelemente erfolgt. Das eingesetzte
Wirkmedium kann fest, flüssig
oder gasförmig
sein. Die Fügestelle
zwischen beiden Werkstücken
kann linien- oder flächenförmig sein.
Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Profilen kann zylindrisch,
kegelförmig,
lokalkonisch oder alternierend sein. Die linien- oder flächenförmige Fügestelle
ermöglicht
eine form- oder
kraftschlüssige
Verbindung, wobei durch technologische und werkzeugtechnische Maßnahmen eine
die Leckage verhindernde Dichtkante/Dichtfläche initiiert wird. Die Dichtkante/Dichtfläche kann stirnseitig
flächig
oder umfangsmantelflächig
ausgebildet sein. Die Fügeverbindung
kann in Form einer oder mehrere Sicken aus unterschiedlichen Geometrien
gebildet werden. Hierbei können
die zu fügenden
Profile beliebige Formen annehmen.
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Als
ein Ausführungsbeispiel
des Rohrfügens mittels
Dichtfläche
ist eine entsprechend hergestellte Verbindung in 5 dargestellt.
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Als
ein Ausführungsbeispiel
eines Rohrfügens
mittels Dichtkanten ist eine ausgeführte Verbindung in 6 abgebildet.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens
wird zur Abdichtung der Bauteile eine axiale Kraftkomponente auf
die Dichtkante oder die Dichtfläche
ausgeübt.
Diese Axialkraft wird über
zumindest einen axial wirkenden Stempel erzeugt. Das vorliegende
Verfahren kann jedoch auch so abgewandelt werden, dass auch ohne axiale
Krafteinleitung bzw. bei gekrümmten
Bauteilen (Halbzeugen) eine Abdichtung ermöglicht ist. Insbesondere kann
dies durch die Zuhilfenahme eines Klebstoffes realisiert werden.
Der Klebstoff ermöglicht
eine stoffschlüssige
Verbindung, die einerseits eine Abdichtung gegenüber dem Fluid ermöglicht, sowie
zusätzlich
als Unterstützung
der Fügeverbindung
dient. Dabei können
einkomponentige Epoxidklebstoffe, zweikomponentige Epoxidklebstoffe
oder auch Klebstoffe mit anderen Zusammensetzungen zur Anwendung
kommen.
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Die
Möglichkeiten
der Auftragung des Klebstoffes sind in den 7 und 8 dargestellt.
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In 7 sind
ineinander gesteckte rohrförmige
Bauteile (Halbzeuge) 1, 2 mit zwei umlaufenden Dichtkanten 3 gezeigt.
Außer
im Überlappungsbereich
der rohrförmigen
Bauteile weisen diese im wesentlichen gleiche Außen- und Innendurchmesser auf.
Im Überlappungsbereich
weist das in der Fig. links angeordnete Bauteil 2 einen
vergrößerten Innendurchmesser
und das in der Fig. rechts angeordnete Bauteil 1 einen
entsprechend hierzu verringerten Außendurchmesser auf. Zwischen
der Innenumfangsfläche
des links angeordneten Bauteils 2 und der Außenumfangsfläche der
rechts angeordneten Bauteils 1 im Überlappungsbereich ist eine
Klebstoffmasse K angeordnet, welche zusammen mit jedenfalls der „inneren" Dichtkante (d.h.
der in der Fig. links angeordneten Dichtkante, also der dem Innenraum der
Halbzeuge näher liegenden
Dichtkante) eine sichere Abdichtung des Innenraums (auch ohne zusätzliche
Axialkraft) ermöglicht.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Abdichtung über
eine Dichtmasse (den Klebstoff) dargestellt. Wie 8 entnehmbar
ist der Außendurchmesser
des Endbereichs des in 8 rechts angeordneten Bauteils 100 vermindert,
so daß dieser Endbereich
in das in 8 links angeordnete Bauteil 200 eingeführt werden
kann. Zwischen der Innenumfangsfläche des links angeordneten
Bauteils 2 und der Außenumfangsfläche der
rechts angeordneten Bauteils 1 im Überlappungsbereich ist eine
Klebstoffmasse K angeordnet, welche eine sichere Abdichtung des
Innenraums (auch ohne zusätzliche
Axialkraft) ermöglicht.
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Alternativ
zu bzw. in Verbindung mit der in 8 gezeigten
Durchmesserverringerung kann auch eine Durchmesservergrößerung durch
Aufweitung des in 8 rechts angeordneten Bauteils 100 vorgenommen
werden. In diesem Fall wird dann das in 8 links
angeordnete Bauteil 200 in das Bauteils 100 eingeführt.