DE69206663T2

DE69206663T2 - Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugrädern

Info

Publication number: DE69206663T2
Application number: DE69206663T
Authority: DE
Inventors: Otto Berg
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-04-15
Also published as: NO911551D0; CA2066285A1; AU654179B2; PL294274A1; NO911551L; AU1491692A; CZ285723B6; EP0509610B1; EP0509610A1; JPH05123805A; DE69206663D1; ZA922652B; SK279465B6; CS121492A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Fahrzeugrades aus Leichtmetall, welches sich aus einer Nabe und aus einem Felgenteil zusammensetzt, wobei in einem ersten Schritt ein im wesentlichen scheibenförmiges Rohmaterial aus einem gegossenen Block oder aus einem ähnlichen, abgerundeten, festen Metallkörper hergestellt wird, in einem dritten Schritt der äußere Teil eines vorgeformten Materials abgetrennt wird und in einem vierten Schritt die Felgenoberfläche durch Drehschmieden der äußeren abgetrennten Felgenteile gebildet wird.
Es besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung auf dem Gebiet einer Reihe von Faktoren die mitspielen bei dem Einsatz von aus Leichmetall hergestellten Rädern, in erster Linie solchen aus Aluminium, aber auch solchen aus Magnesium. Die wichtigsten Gründe sind:
- ein vermindertes Gewicht, insbesondere der ungedämpften Masse, im Hinblick auf eine Verbesserung der Sicherheit und des Komforts,
- eine verbesserte Dissipation der Bremswärme,
- anziehendere Möglichkeiten für die Formgestaltung,
- eine Verbesserung der Finition und der Korrosionsbeständigkeit,
- die Eignung für das Recycling.
In den letzten Jahren hat der Marktanteil für Aluminiumräder daher beträchtlich zugenommen. Sportfahrzeuge und teure Luxuswagen sind die Gebiete mit dem stärksten Interesse. Dies bestätigt die vorteilhaften Eigenschaften der Räder aus Leichtmetall ganz klar. Die Einschränkung bei dem Erringen von Marktanteilen bei den meisten der weniger teuren Fahrzeuge liegt in erster Linie darin, daß die höheren Kosten gegenüber den herkömmlichen Rädern aus Stahl einfach zu bedeutend sind.
Im Einklang mit der allgemeinen Tendenz in Richtung auf stets verbesserte Leistung und auf zunehmend zuverlässigere Bestandteile, hat sich ein wachsendes Interesse an Leichtmetallrädern gezeigt. Zur gleichen Zeit hat sich eine zunehmende Nachfrage nach ausgedehnteren Bremsen gezeigt. Diese erfordern mehr Platz und größere Raddimensionen also etwas was den Bedarf an Leichtmetallrädern weiter in den Vordergrund stellt.
Heutzutage wird der Markt für Leichtmetallräder dominiert von den durch Gießen hergestellten Aluminiumrädern. Dieses Herstellungsverfahren beruht auf einer wohlbekannten Technologie. Jedoch ist das Gießen der Räder eine aufwendige und zeitraubende Herstellungsweise.
Ein anderes bereits früher bekanntes Verfahren besteht darin, Leichtmetallräder durch eine plastische Verarbeitung einer Scheibe zu einer Felge herzustellen, wobei die Felge zuerst geschmiedet wird und dann nachher im Verlaufe eines Streckplanierverfahrens gespalten und zusammengedrückt wird. Ein solches Herstellungsverfahren wird in dem norwegischen Patent Nr. 154.908 und in den schwedischen Patentveröffentlichungen Nr. 414.592 und 414.593 veranschaulicht. Die Herstellung von Leichtmetallrädern durch plastische Verarbeitung unter Einsatz einer Felge als Ausgangsmaterial ist jedoch eine teuere Vorgehensweise und impliziert einen großen Verlust an Material. Zusätzlich bietet das Verfahren nur wenige Möglichkeiten für die Formgestaltung der Räder, auch ist dies der Grund warum das Verfahren nicht in großem Umfang benutzt worden ist.
Desweiteren beurkundet das Patent US-A-3.822.458, welches die Basis für den Oberbegriff des Hauptanspruches darstellt, ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Fahrzeugrades aus Leichtmetall, wobei in einem ersten Schritt ein platten- oder napfförmiger Rohling, ausgehend aus einem Metallblock, dadurch gebildet wird, daß er von dem entsprechenden Rohblock abgetrennt wird, in einem zweiten Schritt wird der Rohling erhitzt und in Preßförmen mit der erforderlichen Konfiguration einer Warmpressung unterzogen; in einem dritten Schritt wird der plattenförmige Rohling in einer zweiteiligen Preßform zu der endgültigen Konfiguration verformt; und in einem vierten und fünften Schritt wird der endgültig geformte Rohling gespalten und einem Drückschmieden unterzogen, um die Felgenteile des Rades zu bilden.
Dieses bekannte Verfahren ist aufwendig und daher ist sein Einsatz teuer. Außerdem, da der aus einem gegossenen Block gewonnene Materialrohling einem Warmpressen unterzogen wird und dasselbe nur für einen Materialfluß in der radialen Richtung sorgt, besteht die große Gefahr der Bildung von Rissen und von Hohlräumen in dem Material des fertiggestellten Rades.
Dank der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung von Fahrzeugrädern geschaffen, welches einfacher und billiger zu benutzen ist, da es nur vier Schritte umfaßt, und welches ein Rad liefert das eine hohe Festigkeit aufweist und dessen Material frei ist von Hohlräumen oder von Rissen.
Gemäß der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schritt ein Erhitzen des Rohmaterials bis auf eine Warmwalztemperatur umfaßt, sowie ein anschließendes orbitales Walzen des rohen Bockes auf solche Art, daß das vorgeformte rotationssymmetrische Material, so wie es in dem beigefügten Anspruch 1 definiert ist, erzielt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann das vorgeformte Material, nach dem orbitalen Walzen aber vor dem Aufspalten, stranggepreßt oder kalt geschmiedet werden, um eine bestimmte Formgestaltung für die Nabe des Rades zu erzielen. Darüber hinaus kann das Rohmaterial aus einem stranggepreßten Bolzen einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung gewonnen werden.
Räder die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden haben die folgenden vorteilhaften Merkmale:
- höhere mechanische Festigkeit, die zu einem etwa 15-30 % geringeren Gewicht führt,
- verbesserte Korrosionsfestigkeit,
- größere Anzahl von Alternativen für die Oberflächenbehandlung,
- verbesserte Ausnutzung des Materials,
- Eignung für die automatisierte Herstellung mit einer kurzen Dauer des Prozesses,
- hohe Reproduzierbarkeit.
Die Erfindung wird nunmehr bis in weiterreichende Einzelheiten beschrieben dies unter Anwendung von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den letzteren zeigen:
Figur 1, eine Skizze des zweiten Schrirtes aus dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Einsatz eines Rohbolzens, wie er unter Anspruch 1 definiert worden ist,
- Figur 2, einen alternativen herstellungsgemäßen Schritt,
- Figur 3 und Figur 4, beziehungsweise die Schritte 3 und 4 des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie vorher dargelegt worden ist, beinhaltet der Stand der Technik die Herstellung von Leichtinetalirädern durch eine plastische Verarbeitung einer Scheibe zu einer Felge, wobei die Felge zuerst geschmiedet und dann nachfolgend gespalten und im Verlaufe eines Streckplanierverfahrens gepreßt wird. Gemäß diesem bekannten Verfahren ist die Erzielung der notwendigen Genauigkeit für die Dicke und die Rundheit einer solchen Felge ein kritischer Punkt.
Dank der vorliegenden Erfindung können Räder hergestellt werden, ohne daß dieselbe Genauigkeit fur den Ausgangsblock erfordert wäre. Folglich besteht der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Herstellung eines im wesentlichen scheibenförmigen Rohmaterials aus einem gegossenen Block oder aus einem auf ähnliche Weise abgerundeten festen Metallkörper. Dies ist eine wesentlich wirkungsvollere Lösung als das was man vorher kannte, da das gegossene Material ohne eine vorherige Behandlung eingesetzt werden kann. Demzufolge wird nicht nur ein geringerer Materialverbrauch erzielt, sondern auch wesentlich kleinere Materialkosten.
In einem zweiten Schritt wird das Rohmaterial 1, so wie dies in Figur 1a dargestellt ist, mittels einer Drückschmiedewalze zu einem rotationssymmetrischen Material 2 verarbeitet und es hat eine bestimmte besondere Querschnittsgeometrie, so wie dies in Figur 1b gezeigt wird. Die Rotation findet zwischen einem mit einer angetriebenen Rotation (nicht gezeigt) ausgestatteten unteren Werkzeug 3 und einem unter freier Rotation stehenden oberen Werkzeug 4, einem sogenannten "Senker", statt. Die Rotationsachsen der beiden Werkzeuge bilden einen festen Winkel, meistens zwischen 1 und 10 Grad. Die Werkzeuge sind geformt um dem Produkt die kennzeichnende Form zu geben. Wenn dies wünschenswert ist, dann wird das untere Werkzeug mit einem Kolben 5 ausgestattet, um die Handhabung des Blockes zu erleichtern. Im Verlaufe des orbitalen Walzens befindet sich der erhitzte Block auf einer Walztemperatur, Temperatur die von der Art des konstituierenden Materials abhängig ist (zum Beispiel 450-520 Grad Celsius). Das erhitzte Material 1 wird auf das untere Werkzeug aufgebracht (Figur 1a) und letzteres wird dann gedreht. Das obere Werkzeug bewegt sich nach unten und beginnt zu drehen sobald es mit dem Werkstück (Material) in Berührung kommt. Wenn das Auswalzen des Materials beendet ist, dann wird das obere Werkzeug wieder in die erste Stellung zurückgeführt und das fertiggestellte Material kann entnommen werden.
Für Räder mit einer rotationssymmetrischen Gestalt der Radscheibe (Nabe), stellt das orbitale Walzen die ganze plastische Verarbeitung der Nabe (Radscheibe) des fertiggestellten Radproduktes dar.
Aluminiumlegierungen sind aber sehr gut geeignet für eine zusätzliche plastische Behandlung im kalten Zustand, da die Legierungen sich sehr leicht in einem weichen Zustand verformen lassen. Anschließend hat man, über den Weg von verschiedenen Verarbeitungsverfahren, insbesondere durch Kaltverformung, Zugang zu Verfahren welche eine größere Flexibilität sowie viele Variationsmöglichkeiten eröffnen, mit einer wesentlichen Freiheit für die Formgestaltung, während die strukturellen und die mechanischen Eigenschaffen verbessert werden. Das Verfahren kann in einem Schritt oder in mehreren Schritten vollzogen werden, und es ergibt Möglichkeiten fiir eine große entwerferische Komplexität, eine große geometrische Genauigkeit sowie eine glatte und feine Oberflächenbeschaffenheit. Bei der Kaltverformung werden Entwurfsmöglichkeiten eröffnet, welche sich weit über die einfache Rotationssymmetrie hinaus erstrecken. In der Praxis verleihen die oben erwähnten Verfahren große Möglichkeiten und unterliegen nur sehr geringen Einschränkungen in der Gestaltgebungsfreiheit.
In den Figuren 2a, 2b und 2c werden Beispiele von Kaltverformungen gezeigt. Nach dem Schritt des orbitalen Walzens wird das Material 2 zwischen einer oberen Preßform 6 und einer unteren Preßform 7 gedrückt, um dem Material eine gewünschte Ausführung zu geben. Wie oben angegeben worden ist, stellt dieser Verfahrensschritt eine freiwillige Alternative dar, aber nicht einen für die Erfindung notwendigen Verfahrensschritt.
Wenn das Material 2 dem orbitalen Walzen unterzogen worden ist, oder ersatzweise gepreßt/kaltverformt worden ist, wird der äußere Teil, welcher die Oberfläche der Feige für das Rad bilden wird, gespalten. Dies ist der dritte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, und er wird noch weiter in den Figuren 3a und 3b to veranschaulicht. Das Material wird, so wie dies in den Figuren dargestellt ist, in einem rotierenden Halter 8 befestigt und es wird entlang seines Umfanges mittels einer Trennwalze 9 in zwei Ringe 10 und 11 gespalten.
Von dem abgespaltenen Material 13 wird die Felgenoberfläche anschließend durch Drückschmieden in einer Presse in die Form gebracht wie sie in den Figuren 4a und 4b dargestellt ist. Das Material wird in einem drehenden Werkzeug festgehalten. Letzteres umfaßt eine obere und eine untere Druckform 16 und 17. Eine Walze 12 walzt und streckt die Ringe 10 und 11 (Figur 3b) (siehe Figur 4a) nach außen mit Bildung des Felgenrahmens 14, 15 welcher unterschiedliche seitliche Ausdehnungen (Figur 4b) aufweist. Dieser vierte und letzte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erleichtert eine optimale Materialverteilung, welche ihrerseits wieder zu einem geringeren Materialverbrauch mit einer vorteilhaften Gewichtseinsparung führt. Wegen einer verbesserten Stabilität bei der Zufuhr hat die durch Drehen geschmiedete Oberfläche ebenfalls eine vorteilhafte Struktur und Qualität im Vergleich zu den gegossenen und mechanisch bearbeiteten Oberflächen.

Beispiel 1

Es wird ein Rohmaterial in der Lorin einer Scheibe von einem gegossenen oder stranggepreßten Block aus einer AIMgSi-Legierung hergestellt (abgeschnitten) (Schritt 1). Die rohe Scheibe wird für die Warmwalzung auf eine geeignete Temperatur von 520 Grad Celsius erhitzt, und sie wird dann anschließend einer orbitalen Walzung mit einer Walze 2 (Schritt 2) unterzogen, um eine besondere Form und besondere Ausmaße zu erzielen, bevor sie der weiteren Verarbeitung unterzogen wird (der Senker der Walze bestimmt die Form des Blockes.) [)as gewalzte Material kann nun entsprechend den Schritten 3 und 4 des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter bearbeitet werden. Da es aber wünschenswert ist dem Rad eine besondere Ausführungsform zu verleihen, welche von der Rotationssymmetrie abweicht, wird das gewaizte Material kaltverfonnt. Anschließend an die Kaltverformung wird das Matenal im Hinblick auf eine Trennoperation befestigt und es wird entlang dem Umfange des Materials gespalten (Schritt 3). Anschließend wird die Fetgenoberfläche einem Drückschmieden unterzogen (Schritt 4) und nach diesem Schritt wird das Rad in seiner endgültigen Form erhalten.
Das Rad wird später einer thermischen Behandlung, einer mechanischen Verarbeitung und einer Oberflächenbehandlung unterzogen, wobei diese Maßnahmen aber keine Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen.

Beispiel 2

Es wird ein Rohmaterial in der Form einer Scheibe von einem gegossenen oder stranggepreßten Bolzen aus Magnesium von der Legierung AZ31 hergestellt (Schritt 1): Das Rohmaterial wird auf 480 Grad Celsius erhitzt, und es wird der orbitalen Walzung (Schritt 2) unterzogen. Im Zusammenhang mit dieser thermischen Behandlung des Blockes findet eine Rekristallisation statt. Das Material muß bei einer Temperatur von wenigstens 220 Grad Celsius gehalten werden, damit das Material des vorgeformten Blockes während der Kaltverformung eine geeignete Zähigkeit aufweist. Anschließend an die Kaltformgebung wird das Material gespalten (Schritt 3) und bei 450 Grad Ceisius einem die Spannung abbauenden Glühen unterzogen. Das Drücken der Felgenoberfläche (Schritt 4) findet abschließend bei einer über 220 Grad Celsius liegenden Temperatur statt.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Fahrzeligrades (18) aus Leichtmetall, welches eine Nabe (19) und Felgenteile (14, 15) aufweist wobei in einem ersten Schritt ein in wesentlichen scheibenförmiges Rohmaterial alls einem gegossenen Block oder aus einem ähnlichen, abgerundeten, festen Metallkömer (1) hergestellt wird, in einem dritten Schritt der älißere Teil eines vorgeformten Materials (2) abgetrennt wird, und in einem vierten Schritt die Felgenoberfläche (14, 15) durch Drehschmieden der äusseren Teile (10, 11) der abgetrennten Feige (14, 15) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schritt ein Erhitzen des Rohmaterials (1) bis auf eine Warwalztemperatur beinhaltet, sowie ein anschließendes orbitales Walzen des rohen Bockes auf solche Art, daß das vorgeformte rotationssyrnmetrische Material (2) erzielt wird.

2. Verfahren gemäß demAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Material (2), anschließend an das orbitale Walzen und vor dem Abtrennen, einem Pressen oder einem Kaltwalzen unterworfen wird, um ein gewünschtes spezifisches Muster für die Nabe des Rades zu erzielen.

3. Verfahren gemäß dem Asprtich 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmaterial (1) von einem extrudierten Bolzen einer Aluminiumlegierung abgeschnitten wird.

4. Verfahren gemäß dem Aspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmaterial (1) aus einem extrudierten Bolzen einer Magnesiumlegierung hergestellt wird.