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Title:
METHOD FOR PRODUCING A SHAFT-HUB CONNECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/184639
Kind Code:
A1
Abstract:
The method functions for producing a shaft-hub connection of workpieces (10, 12) made from the same or different materials, wherein, by means of a suitable material (18) as an intermediate layer between the two workpieces (10, 12) to be connected, an integrally bonded connection is produced by corresponding heating of this material (18). In order to increase the strength values of the shaft-hub connections, a rotationally symmetrical outer surface (22) is formed on a first workpiece (12), and a rotationally symmetrical inner surface (24) is formed on the second workpiece (10), the diameters of which are selected relative to one another in such a way that the pairing forms a press fit, wherein the two workpieces (10, 12) are axially pressed prior to the heating of the material (18) for the integrally bonded connection.

Inventors:
WAHL MATTHIAS (DE)
WEIL ALEXANDER (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/058993
Publication Date:
November 24, 2016
Filing Date:
April 22, 2016
Export Citation:
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Assignee:
EVOBEAM GMBH (DE)
WAHL MATTHIAS (DE)
WEIL ALEXANDER (DE)
International Classes:
B23K1/00; B23K1/002; B23K1/005; B23K1/19; B23K1/20; B23K15/00; B23K20/12; B23K20/16; B23K20/24; B23K26/211; B23K26/322; B23K26/323; B23K26/324; B23K26/60; B23K31/00; B23K31/02; F16D1/027
Foreign References:
US4778345A1988-10-18
US20060021221A12006-02-02
US20150078905A12015-03-19
DE102012002572A12013-08-14
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Olbricht, Buchhold, Keulertz Partnerschaft mbB (DE)
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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.

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. Schließ ¬ 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.