DE102006028430A1

DE102006028430A1 - Verbindung zwischen zwei Körpern und Verfahren zur Herstellung der Verbindung

Info

Publication number: DE102006028430A1
Application number: DE102006028430A
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. habil. Gropp; Bernhard Prof. Dr.-Ing. habil. Wielage; Siegfried Prof. Dr.-Ing. habil. Steinhäuser; Bernd Dipl.-Ing. Malzahn; Kai Dipl.-Ing. Malzahn (FH)
Original assignee: PAATZ VIERNAU GmbH
Current assignee: PAATZ VIERNAU GmbH
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Körpern und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung, wobei eine Pressung zwischen beiden Körpern vorhanden ist bzw. erzeugt wird und im Bereich der Verbindung die Oberfläche zumindest eines Körpers mit einer die Tribokorrosion einschränkenden oder verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen ist. Verfahrensgemäß wird zuerst mindestens ein erster Körper im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer die Tribokorrosion einschränkenden oder verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen und anschließend eine Pressverbindung zwischen beiden Körpern erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Körpern und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung, wobei eine Pressung zwischen beiden Körpern vorhanden ist bzw. erzeugt wird.
In DD 0152 972 wird eine Wellen-Naben-Verbindung beschrieben, mit welcher geringe Relativbewegungen zwischen den Passflächen zugelassen werden. Dazu werden eine oder beide Passflächen mit aus einer chemischen Verbindung des Grundwerkstoffs bestehenden nichtmetallisch-anorganischen Schicht versehen, die eine Übertragungsschicht aus Phosphophyllit aufweist. Nachteilig ist der mehrschichtige Aufbau und eine für das Herstellen einer Pressverbindung ungenügende Haftfestigkeit.
In DE 699 07 188 T2 wird der Aufbau und ein Verfahren zum Verbinden von Automobilblechen beschrieben, wobei eine unbeschichtete Stahlplatte mit einer mehrfach beschichteten Stahlplatte, verbunden wird. Die untere Schicht weist dabei Phosphophyllit auf und wird mit einer weiteren Überzugsschicht versehen. Als Ergebnis wird eine Zweiblechverbindung nur geringer Haftfestigkeit gebildet. Diese ist für das Erzeugen einer Pressverbindung und für die Übertragung von Kräften nicht vorgesehen und einsetzbar.
In DIN 50924 wird beschrieben, welche Phosphatschicht und welche Schichtdicke für welche Anwendung geeignet sind. Danach und aus „P. Volk, SurTec Deutschland GmbH, Phosphatierverfahren 2004" ist es entnehmbar, dass Manganphosphatierungen als Korrosionsschutz, zur Verbesserung von Gleiteigenschaften und als Haftgrund für Schmiermittel und anschließende Beschichtungen eingesetzt werden. Andere Anwendungsgebiete für Manganphosphatierungen sind derzeit nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung zwischen zwei Körpern und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung, zu schaffen wobei eine Pressung zwischen beiden Körpern vorhanden ist und eine hohe Sicherheit gegen jegliche Verschiebungen (außer Mikroschluss) zwischen den beiden Körpern gewährleistet ist, sowohl bei einer Welle-Nabe-Verbindung als auch bei einer „flächigen" Pressverbindung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1. und 11. Patentanspruchs gelöst.
Die Verbindung zwischen den zwei Körpern, wobei zwischen den beiden Körpern im Bereich der Verbindung eine Pressung vorhanden ist, wird dadurch hergestellt, dass im Bereich der Verbindung die Oberfläche zumindest eines Körpers mit einer die Tribokorrosion einschränkenden bzw. verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen ist.
Die beiden Körper bestehen dabei aus einem metallischen Werkstoff, z.B. bevorzugt aus Stahl.
Die Schicht bildet dabei ein Übertragungselement zwischen den beiden Körpern und weist ein feinkristallines einphasiges oder mehrphasiges Gefüge auf und stellt dadurch eine Verdreh- und verschiebesichere Verbindung zwischen den beiden Körpern her.
Bevorzugt ist die Schicht eine Manganphosphatschicht, die Huréaulith enthält. Die Schicht kann eine Dicke bis 20 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm aufweisen. Die Körper können eine Welle und eine Nabe sein, wobei dann die Welle an ihrem Außendurchmesser und/oder die Nabe zumindest an ihrem Innendurchmesser teilweise oder vollständig mit der Schicht versehen ist.
Zur Herstellung der Verbindung wird die Nabe bevorzugt in Längsrichtung der Welle auf den Außendurchmesser der Welle gepresst oder eine Querpressverbindung hergestellt.
Verfahrensgemäß wird zur Herstellung der Verbindung zwischen den zwei Körpern, zuerst mindestens ein Körper im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer die Tribokorrosion einschränkenden bzw. verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen und anschießend eine Pressverbindung zwischen beiden Körpern erzeugt.
Zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, ist dabei zwischen Außendurchmesser der Welle und Innendurchmesser der Nabe ein Übermaß vorhanden, und die Nabe wird an ihrem Innendurchmesser an mindestens einer ersten Kontaktfläche zur Welle und/oder die Welle an ihrem Außendurchmesser an mindestens einer zweiten Kontaktfläche zur Nabe mit der Schicht versehen und anschließend zwischen Welle und Nabe eine Pressverbindung hergestellt. Das Fügen erfolgt in Form einer Querpressverbindung als Schrumpf-, Dehn-, Schrumpf-Dehnverbindung oder in Form einer Längspressverbindung, wobei die Nabe in Längsrichtung der Welle auf den Außendurchmesser der Welle unter Bestehen eines Übermaßes geschoben wird).
Die mit der Schicht zu versehenden Flächen der Körper werden vor dem Aufbringen der Schicht durch Vorspülen mit Wachstumskeimen versehen, die die Bildung einer feinkristallinen Schicht begünstigen.
Weiterhin wird die Schicht vor dem Herstellen der Verbindung dehydratisiert. Das Übermaß zwischen Welle und Nabe beträgt vor dem Aufbringen der Beschichtung in der Regel 20 μm bis 80 μm bezogen auf einen Pressfugendurchmesser von 30 mm. Alternativ zur Längspressverbindung ist die Verbindung auch durch Schrumpfen oder Dehnen herstellbar.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die Verwendung einer Beschichtung in Form einer Manganphosphatierung, die Huréaulith enthält, eine hohe Sicherheit gegen ein Verschieben beider Bauteile gewährleistet ist.
Bei einer Welle-Nabe-Verbindung wird dadurch sowohl eine Verdrehsicherheit als auch eine Sicherheit gegen axiales Verschieben geschaffen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Herstellung einer Wellenbaugruppe mit mehreren darauf angeordneten Zahnrädern,
2: Vergrößerte Darstellung der Verbindung im Querschliff.
In 1a bis 1f werden die Arbeitsstufen zum Fügen einer Welle W mit 3 Zahnrädern Z1, Z2, Z3 im Längsschnitt dargestellt. Die Welle W weist gem. 1a in Montagerichtung (oder an beiden Enden) eine Fase auf, um das Aufschieben der Zahnräder Z1 bis Z3 ohne Verkanten zu gewährleisten. (Alternativ ist es möglich, die Zahnräder Z1 bis Z3 am Innendurchmesser mit einer Montagefase zu versehen.) An der Welle W sind mit P1, P2, P3, die Positionen gekennzeichnet, an denen die Zahnräder Z1, Z2, Z3 positioniert werden sollen. Die Welle W ist an ihrem Außendurchmesser vollständig mit einer Manganphosphatschicht S versehen, wobei die Schichtdicke z.B. 2 μm beträgt. Zwischen Außendurchmesser D der Welle W und Innendurchmesser d der Zahnräder Z1, Z2, Z3 besteht ein Übermaß von z.B. 50 μm.
Nun wird das erste Zahnrad Z1 mit Hilfe eines Hohlstempels H gem. 1b auf die Welle W in Längsrichtung bis zum Erreichen der Fügeposition P1 (1c) aufgepresst. Durch die verbundstabile Schicht S wird dabei ein Aufpressen ohne Fresserscheinungen gewährleistet. Nun erfolgt über den gleichen Fügeweg das Aufpressen des zweiten Zahnrades Z2 (1d) mit dem Hohlstempel H bis zum Erreichen der zweiten Fügeposition P2 (1e) und abschließend wird wiederum unter Verwendung des Hohlstempels H das dritte Zahnrad Z3 über den gleichen Fügeweg bis zur Fügeposition P3 (1f) in Längsrichtung auf die Welle aufgepresst. Obwohl bereits die Zahnräder Z1 und Z2 über die Fügeposition des dritten Zahnrades gepresst wurden, ist die Manganphosphatschicht noch intakt, wenn auch das dritte Zahnrad Z3 aufgepresst wird. Nach dem Aufpressen der drei Zahnräder Z1, Z2, Z3 sitzen diese nun verdrehfest und verschiebefest auf der Welle W.
Die Schicht S ist dabei ein verdrehfestes und verschiebefestes Verbindungselement, welches eine Verbindung mit der Oberflächenstruktur der Welle W und den Zahnrädern Z1 bis Z3 eingegangen ist.
Zur Gewährleistung einer guten Haftung der Manganphosphatschicht wurde die Welle vor dem Phosphatieren mit einem flüssigen alkalischen Reiniger entfettet, mit Salzsäure gebeizt und vor dem Aufbringen der Schicht die zu beschichtende Oberfläche mit Wachstumskeimen versehen. Weiterhin wurde die aufgebrachte Schicht vor dem Herstellen der Verbindung dehydratisiert (bei 100 bis 130°C).
2 zeigt den Schliff einer entsprechenden Verbindung eines Bauteils 1 und eines Bauteils 2, die aus metallischem Werkstoff bestehen und zwischen welchen die Schicht S in Form einer Manganphosphatschicht angeordnet ist. Es wird deutlich, dass die Schicht S außer dem normalen Kraftschluss zusätzlich einen Mikroformschluss zu den angrenzenden Bauteilen 1, 2 herstellt und damit als Übertragungselement wirkt.
In die Manganphosphatschicht S sind die Rauhigkeitsspitzen der Bauteile 1 und 2 bei Herstellen der Pressung/Pressverbindung eingedrungen, wodurch der Mikroformschluss und damit eine verdrehsichere und verschiebesichere Pressverbindung erzeugt wurde. Die vor dem Herstellen der Pressung/Pressverbindung eine feinkristalline Struktur aufweisende Schicht geht dabei weitestgehend in einen amorphen Zustand über.
Es wurde durch zahlreiche Versuchsreihen überraschender Weise nachgewiesen, dass eine Manganphosphatschicht erstmalig als „Übertragungselement" einer Pressung/Pressverbindung zwischen den angrenzenden metallischen Bauteilen eingesetzt werden kann und insbesondere bei Wellen-Naben-Verbindungen dazu geeignet ist, hohe Drehmomente zu übertragen und Tribokorrosion/Passungsrost zu verhindern. Es ist weiterhin erstmalig möglich, die erfindungsgemäße Verbindung bei Flächenpressungen einzusetzen, wobei dann eine hohe Verschiebesicherheit gewährleistet wird und ebenfalls Tribokorrosion/Passungsrost vermieden werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmalig möglich, verdrehsichere Verbindungen zwischen Zahnrädern und/oder Lagern, die auf einer Hauptspindel und/oder Arbeitsspindel und/oder Zwischenwelle z.B. eines Mehrspindelkopfes oder eines Getriebes sitzen zu schaffen, die ohne spanungstechnischen Aufwand herstellbar sind und wobei Tribokorrosion vermieden wird.
Dadurch kann z.B. die Herstellung eines Mehrspindelbohrkopfes oder eines Getriebes, bei welchen dafür bisher Nut-Passfeder-Verbindungen eingesetzt wurden, wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden.
Zusätzlich besteht ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass Tribokorrosion/Passungsrost im Vergleich zu herkömmlichen Pressverbindungen und Nut-Passfederverbindungen stark eingeschränkt bzw. vermieden wird.
Die Zahnräder und/oder Lager werden insbesondere bei der Herstellung einer Längspressverbindung einfach in Längsrichtung auf Hauptspindel und/oder Arbeitsspindel und/oder Zwischenwelle bis zur erforderlichen Position aufgepresst.

Claims

Verbindung zwischen zwei Körpern, wobei zwischen den beiden Körpern im Bereich der Verbindung eine Pressung vorhanden ist oder erzeugt wird und im Bereich der Verbindung die Oberfläche zumindest eines Körpers mit einer die Tribokorrosion einschränkenden oder verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen ist.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht ein Übertragungselement zwischen den beiden Körpern bildet.
Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht ein feinkristallines einphasiges oder mehrphasiges Gefüge aufweist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Manganphosphatschicht ist.
Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht Huréaulith enthält.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke bis 20 μm aufweist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von 3 bis 5 μm aufweist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Körper eine Welle ist, die an ihrem Außendurchmesser teilweise oder vollständig mit der Schicht versehen ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper eine Nabe aufweist, die an ihrem Innendurchmesser teilweise oder vollständig mit der Schicht versehen ist.
Verbindung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe in Längsrichtung der Welle auf den Außendurchmesser der Welle gepresst ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Körpern nach Anspruch 1, wobei zuerst mindestens ein Körper im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer die Tribokorrosion einschränkenden oder verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen wird und anschießend eine Pressverbindung zwischen beiden Körpern erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, zwischen Außendurchmesser der Welle und Innendurchmesser der Nabe ein Übermaß vorhanden ist und die Nabe an ihrem Innendurchmesser an mindestens einer ersten Kontaktfläche zur Welle und/oder die Welle an ihrem Außendurchmesser an mindestens einer zweiten Kontaktfläche zur Nabe mit der Schicht versehen wird und anschließend zwischen Welle und Nabe eine Pressverbindung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe auf den Außendurchmesser der Welle mittels Schrumpfverbindung, Dehnverbindung oder Schrumpf-Dehnverbindung gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe in Längsrichtung der Welle auf den Außendurchmesser der Welle unter Bestehen eines Übermaßes gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Schicht zu versehenden Flächen der Körper vor dem Aufbringen der Schicht durch Vorspülen mit Wachstumskeimen versehen werden, die die Bildung einer feinkristallinen Schicht begünstigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht vor dem Herstellen der Verbindung dehydratisiert wird.