Verfahren zur Herstellung eines massiven metallischen Verbundbauteils und

hiermit hergestelltes massives metallisches Verbundbauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines massiven metallischen

Verbundbauteils sowie ein hiermit hergestelltes massives metallisches Verbundbauteil.

Ein betreffendes massives metallisches Verbundbauteil ist insbesondere ein

Antriebsstrangbauteil für ein Kraftfahrzeug oder ein Getriebebauteil für ein Fahrzeuggetriebe. Solche Antriebsstrangbauteile oder Getriebebauteile werden bislang einstückig (in einem Stück), zumeist durch Umformen (bspw. Schmieden) eines metallischen Rohlings, oder mehrstückig, d. h. durch Fügen (bspw. durch Nieten, Schweißen, Kleben) mehrerer vorgefertigter metallischer Einzelstücke, hergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Verfahrensweise zur Herstellung derartiger Bauteile anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend den

Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes massives metallisches Verbundbauteil. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines massiven metallischen

Verbundbauteils umfasst die folgenden, chronologisch ausgeführten Schritte:

- Bereitstellen eines ersten metallischen Rohlings und eines zweiten metallischen Rohlings;

- Anordnen des ersten Rohlings an einer ersten Halteeinrichtung und Anordnen des zweiten Rohlings an einer der ersten Halteeinrichtung gegenüberliegenden zweiten Halteeinrichtung;

- Reibverschweißen der Rohlinge, wozu die erste Halteeinrichtungen (zusammen mit dem aufgenommenen ersten Rohling) eine angetriebene Drehbewegung ausführt und die zweite Halteeinrichtung (zusammen mit dem aufgenommenen zweiten Rohling) frei drehbar in Richtung der ersten Halteeinrichtung eine (lineare) Zustellbewegung ausführt, wodurch die Rohlinge unter zunehmendem Druck bis zum Erreichen einer Synchrondrehzahl aneinander gerieben, dadurch an ihren Kontaktflächen (erwärmt und) plastifiziert und schließlich durch Reibschweißverbindung gefügt werden; und - Umformen der durch Reibschweißverbindung gefügten Rohlinge (bzw. des durch

Reibverschweißung gebildeten Rohlingverbunds), wozu die zweite Halteeinrichtung (in Richtung der ersten Halteeinrichtung), insbesondere bei fortgesetzter Drehbewegung, eine fortgesetzte Zustellbewegung ausführt und die erste Halteeinrichtung und/oder die zweite Halteeinrichtung mit einer formgebenden bzw. formvorgebenden Kontur ausgebildet ist/sind.

Bevorzugt führt die zweite Halteeinrichtung während des Reibverschweißens und während des Umformens eine kontinuierliche, d. h. unterbrechungsfreie bzw. pausenfreie, Zustellbewegung aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren fasst somit mehrere Arbeitsschritte, darunter ein

Reibschweißen bzw. Reibverschweißen und ein sich insbesondere sofort bzw. unmittelbar daran anschließendes Umformen, in einem Arbeitsgang bzw. Arbeitsdurchgang zusammen, wobei die Reibverschweißung und die Umformung während einer Zustellbewegung ausgeführt werden. Die Zustellbewegung wird insbesondere mittels Presseinrichtung bzw. Presse erzeugt, so dass die genannten Arbeitsschritte in einem Arbeits- bzw. Pressenhub ohne Umsetzen des Werkstücks ausgeführt werden. Es versteht sich von selbst, dass das Reibverschweißen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch im Zuge einer einfachen kinematischen Umkehr erfolgen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der prozesssicheren und kostenreduzierenden

Herstellung eines massiven metallischen Verbundbauteils mit vergleichsweise kurzer Taktzeit und ist somit insbesondere für die wirtschaftliche Serienherstellung geeignet. Unter einem massiven metallischen Verbundbauteil wird insbesondere ein ursprünglich aus zwei metallischen Rohlingen, die eine belastungssichere stoffschlüssige Verbindung eingegangen sind (aufgrund der hervorragenden Schweißqualität beim Reibschweißen), gefertigtes einstückiges Bauteil verstanden. In vorteilhafter Weise kann ein Verbundbauteil belastungs-, gewichts- oder kostenoptimiert gestaltet sein.

Ein erfindungsgemäß hergestelltes massives metallisches Verbundbauteil ist insbesondere ein Antriebsstrangbauteil für ein Kraftfahrzeug, wie bspw. eine Flanschwelle, oder ein

Getriebebauteil für ein Fahrzeuggetriebe, wie bspw. ein Zahnrad. Ein solches Verbundbauteil ist aus (wenigstens) zwei miteinander reibverschweißten und (unmittelbar im Anschluss) umgeformten metallischen Rohlingen hergestellt. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Stahl-Stahl-Verbundbauteil, ein Aluminium-Aluminium-Verbundbauteil oder ein Stahl- Aluminium-Verbundbauteil bzw. -Hybridbauteil. Bevorzugt erstreckt sich die zwischen den Halteeinrichtungen stattfindende Umformung der miteinander reibverschweißten Rohlinge zumindest teilweise auf beide Rohlinge und umfasst insbesondere auch die Reibschweißverbindung bzw. die Reibschweißzone, so dass die Reibschweißverbindung bzw. -zone mit umgeformt wird. Insbesondere wird eine sich beim Reibverschweißen eventuell ausbildende Schweißwulst durch Umformung beseitigt.

Die bereitgestellten Rohlinge können massiv zylindrisch und/oder ringförmig, insbesondere rohrartig, ausgebildet sein. Bevorzugt handelt es sich um unbearbeitete Stangenabschnitte (d. h. von einem Stangen-Halbzeug durch Absägen oder Abscheren erzeugte

Stangensegmente). Bevorzugt weisen die Rohlinge einen Rundquerschnitt auf und können insbesondere auch mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rohlinge aus unterschiedlichen Werkstoffen, bspw. aus unterschiedlichen Stahlsorten bzw. Stahlgüten oder auch aus unterschiedlichen Aluminiumsorten bzw. Aluminiumgüten, und insbesondere aus artfremden (d. h. nicht gleichartigen) Werkstoffen, bspw. aus Stahl und Aluminium, gebildet sind. Das

erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also auch die Herstellung eines aus artfremden Werkstoffen gebildeten Hybridbauteils, das bspw. aus Stahl und Aluminium besteht. Somit kann ein besonders belastungsgerechtes und/oder gewichtsoptimiertes Bauteil und insbesondere Leichtbauteil hergestellt werden. Bei der Verwendung artfremder Werkstoffe kommt ein bedeutender Vorteil des Reibschweißens zum Tragen, nämlich die Möglichkeit,

unterschiedliche Werkstoffe, die sonst mit kaum einem anderen Verfahren schweißbar sind, miteinander zu verschweißen.

Die bereitgestellten Rohlinge können Raumtemperatur aufweisen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass zumindest einer der Rohlinge und insbesondere beide Rohling in einem erwärmten Zustand bereitgestellt werden. Werden beide Rohlinge in einem erwärmten Zustand bereitgestellt, können diese die selbe Temperatur oder unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Das Umformen der reibverschweißten Rohlinge kann konventionell, z. B. durch Schmieden oder Fließpressen zwischen den Halteeinrichtungen (die hierzu in geeigneter Weise als Werkzeuge ausgebildet sind) erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Umformen mittels eines inkrementellen Umformverfahrens und insbesondere mittels Drehschmiedens oder alternativ mittels Taumelumformens erfolgt. Ein inkrementelles Umformverfahren (hierbei handelt es sich um ein Massivumformverfahren) zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass die zwischen den Halteeinrichtungen (die hierzu in geeigneter Weise als Werkzeuge ausgebildet sind) befindlichen reibverschweißten Rohlinge aufgrund einer besonderen Prozessführung nur sukzessive bzw. allmählich in einzelnen zur Umformzone gehörenden Bereichen umgeformt werden. Im Weiteren wird auf die sehr ausführlichen Erläuterungen in der DE 10 2012 017 525 A1 derselben Anmelderin und auf entsprechende Fachliteratur verwiesen.

Die Vorteile des inkrementellen Umformens sind in einem verhältnismäßig einfachen Aufbau der Werkzeuge (die insbesondere auch ohne Beheizung auskommen; d. h. eine

Isothermumformung ist, insbesondere auch bei Leichtmetallen, nicht erforderlich) und den gegenüber anderen Umformverfahren deutlich geringeren Kraftbedarfen zu sehen. Zudem sind hohe Formänderungsgrade (vorzugsweise mit großen Querschnittsveränderungen), insbesondere auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (d. h. energiesparend müssen die Rohlinge nicht oder nur auf eine geringere Temperatur erwärmt werden; bspw. nur 400°C bis 600°C bei Stahl-Rohlingen und 200°C bis 300°C bei Aluminium-Rohlingen), erzielbar. Das inkrementelle Umformen ermöglicht auch das Umformen von Magnesium-Werkstoffen, so dass zumindest einer der Rohlinge auch aus Magnesium gebildet sein kann.

Ein weiterer Vorteil des inkrementellen Umformens zeigt sich insbesondere bei der Herstellung eines Hybridbauteils aus einem Stahlrohling und einem Aluminium-Rohling. Bei einem konventionellen Umformverfahren zum Hybridschmieden von Stahl und Aluminium müssen über eine komplizierte Erwärmungsstrategie und Prozessführung unterschiedliche

Erwärmungstemperaturen für die verschiedenen Werkstoffe (beim Stahl über 1000°C, zur Erzielung einer guten Umformbarkeit, und beim Aluminium nicht mehr als 500°C, wegen der Gefahr des Schmelzens) realisiert werden. Bei der inkrementellen bzw. partiellen Umformung sind jedoch keine unterschiedlichen Erwärmungs- bzw. Umformtemperaturen der

unterschiedlichen Werkstoffe notwendig, so dass die bereitgestellten Rohlinge in etwa die gleiche Temperatur aufweisen dürfen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass für das inkrementelle Umformen der miteinander

reibverschweißten Rohlinge eine Drehschmiedeumformvorrichtung (oder alternativ auch eine Taumelumformvorrichtung), bspw. der in der DE 10 2012 017 525 A1 gezeigten und beschrieben Art, verwendet wird, wobei auch das vorausgehende Reibverschweißen der Rohlinge in bzw. mit dieser Drehschmiedeumformvorrichtung durchgeführt wird, wie nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Insofern kann die erfindungsgemäße Verfahrensweise auch als modifizierter Drehschmiedeprozess aufgefasst werden, bei dem in einem Arbeits- bzw. Pressenhub (ohne Umsetzen von Werkstücken) zunächst zwei Rohlinge durch Reibverschweißen gefügt und anschließend inkrementell zu einem Verbund- oder Hybridbauteil umgeformt werden. Diese Prozessführung ist einfach, unkompliziert, sicher, kostengünstig und wirtschaftlich. Nachfolgend wird beispielhaft anhand der Zeichnung eine besonders bevorzugte

Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können einzeln oder in Kombination, auch losgelöst von übergeordneten Merkmalskombinationen, die Gegenstände der Erfindung weiterbilden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in mehreren Einzeldarstellungen schematisch eine erfindungsgemäße Abfolge zur Herstellung einer als Verbundbauteil ausgebildeten massiven metallischen

Flanschwelle.

Fig. 1 a zeigt eine Drehschmiedeumformvornchtung 100, die ein als Matrize ausgebildetes Werkzeugunterteil 1 10 (erste Halteeinrichtung) und ein als Stempel ausgebildetes

Werkzeugoberteil 120 (zweite Halteeinrichtung) aufweist. Die Drehschmiedeumformvornchtung 100 ist in einer nicht dargestellten Drehschmiedepresse oder dergleichen eingebaut. Die gezeigte vertikale Anordnung der Werkzeugteile 1 10/120 ist nur beispielhaft.

Zur Herstellung der in Fig. 1d dargestellten Getriebe-Flanschwelle 300 werden ein erster aus Stahl gebildeter Rohling 210 und ein zweiter aus Aluminium gebildeter Rohling 220

bereitgestellt und in der Matrize 1 10 sowie am Stempel 120 angeordnet, wie in Fig. 1 a gezeigt. Das Anordnen bzw. Einlegen der Rohlinge 210/220 erfolgt bevorzugt automatisiert. Der Stempel 120 ist mit einem geeigneten Werkstückhalter ausgebildet. Die Rohlinge 210/220 können erwärmt sein.

Nachfolgend werden der erste Rohling 210 und der zweite Rohling 220 reibverschweißt, wozu das Werkzeugunterteil 1 10 zusammen mit dem ersten Rohling 210 eine von der

Drehschmiedepresse erzeugte Drehbewegung U1 ausführt, wobei bis zu mehreren Hundert Umdrehungen pro Minute vorgesehen sein können. Gleichzeitig wird das nicht angetriebene und frei drehbare Werkzeugoberteil 120 zusammen mit dem zweiten Rohling 220 in Richtung des rotierenden Werkzeugunterteils 1 10 bewegt (gemäß Darstellung nach unten). Die von der Drehschmiedepresse erzeugte Zustellbewegung ist mit dem Pfeil V veranschaulicht. Die Rohlinge 210 und 220 werden unter zunehmendem Druck aneinander gerieben, wodurch das Werkzeugoberteil 120 bis zum Erreichen einer Synchrondrehzahl (U2 = U1 ) drehbeschleunigt wird, wie in Fig. 1 b gezeigt. (Gegebenenfalls kann das Werkzeugoberteil 120 zunächst noch festgehalten oder gebremst werden.) Die Rohlinge 210/220 bilden quasi eine Reibkupplung zwischen den Werkzeugteilen 1 10/120 und werden durch Reibung R an ihren sich berührenden Kontaktflächen erwärmt und plastifiziert und schließlich formschlussfrei durch

Reibschweißverbindung 230 stoffschlüssig gefügt. Durch eine kontinuierlich fortgesetzte Zustellbewegung V des Werkzeugoberteils 120 werden nun die beiden in einer Reibschweißzone 230 mittels Reibschweißverbindung gefügten Rohlinge bzw. der Rohlingverbund 210/220 unter Beibehaltung einer Umdrehung U3 inkrementell durch Drehschmieden umgeformt, wobei sukzessive und gleichzeitig eine durch die Matrizenkontur 1 15 vorgegebene Außenkontur und eine durch die Stempelkontur 125 vorgegebene Innenkontur erzeugt werden. Auch die Reibschweißzone 230 wird hierbei umgeformt.

Um die inkrementelle Drehschmiedeumformung zu bewerkstelligen, ist das Werkzeugoberteil 120 in bekannter Weise gekippt (der Schiefstellungs- bzw. Kippwinkel a beträgt bspw. bis zu 6°, wobei die Kippung starr oder veränderlich sein kann) und wird durch das Werkzeugunterteil 1 10 mitgedreht oder wird durch die Drehschmiedepresse synchron angetrieben. Die synchrone Drehzahl U3 beim Drehschmieden kann der Drehzahl U1 beim Reibschweißen entsprechen, allerdings können für das Reibverschweißen und für das Drehschmieden auch unterschiedliche Drehzahlen vorgesehen sein.

Nachdem die Drehschmiedeumformung beendet ist, kann das Werkzeugoberteil 120 nach oben (-V) gefahren und die hergestellte Flanschwelle 300 entnommen werden, was insbesondere automatisiert erfolgt. Bei der hergestellten Flanschwelle 300 handelt es sich um ein

einstückiges Hybridbauteil, das einen aus Stahl gebildeten Wellenabschnitt 310, auf den nachfolgend z. B. eine Außensteckverzahnung 312 aufgebracht wird (wobei bevorzugt die Außensteckverzahnung 312 auch direkt beim vorausgehenden Drehschmieden erzeugt werden könnte), und einen aus Aluminium gebildeten Flansch bzw. Flanschabschnitt 320 aufweist. Gegenüber einer vollständig aus Stahl gebildeten Flanschwelle weist die erfindungsgemäß als Hybridbauteil ausgebildete Flanschwelle 300 bei zumindest gleicher Festigkeit und

Belastbarkeit wesentlich weniger Gewicht bzw. Drehmasse auf.

Bezugszeichenliste

100 Drehschmiedeumformvorrichtung (Drehschmiedewerkzeug)

1 10 Matrize (Werkzeugunterteil)

1 15 Matrizenkontur

120 Stempel (Werkzeugoberteil)

125 Stempelkontur

210 erster Rohling (Rohteil)

220 zweiter Rohling (Rohteil)

230 Reibschweißzone, Reibschweißverbindung

300 Getriebe-Flanschwelle

310 Wellenabschnitt

312 Außensteckverzahnung

320 Flanschabschnitt

R Reibung

U1 Umdrehung, Rotation

U2 Umdrehung, Rotation

U3 Umdrehung, Rotation

V Zustellbewegung

a Kippwinkel