DE3007307A1 - Detachable shrunk joint - uses shape memory alloy with two=way effect - Google Patents
Detachable shrunk joint - uses shape memory alloy with two=way effectInfo
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Abstract
Description
Schrumpfverbindung und Verfahren zu deren HerstellungShrink connection and process for their production
Die Erfindung geht aus von einer Schrumpfverbindung nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zu deren Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 6.The invention is based on a shrink connection according to the generic type of claim 1 and of a method for their production according to the genus of Claim 6.
Aus der DE-AS 2 065 651 ist eine Schrumpfverbindung in Form eines auf der Innenseite abgesetzten hohlen Formteils (innenverzahnte Muffe) aus einer Gedächtnislegierung bekannt, welche durch mehrstufige thermomechanische Behandlung hergestellt wird. Dieses insbesondere für feste Rohrverbindungen verwendete Bauelement, welches sich dank seiner Innenverzahnung in die zu verbindenden Rohrstücke eingräbt und dort unter anderem bleibende Formänderungen verursacht, nützt den sog. Einwegeffekt einer Gedächtnislegierung aus.From DE-AS 2 065 651 a shrink connection in the form of a on the inside offset hollow molded part (internally toothed sleeve) from a Memory alloy known, which by multi-stage thermomechanical treatment will be produced. This component used in particular for fixed pipe connections, which, thanks to its internal toothing, digs into the pipe sections to be connected and causes permanent changes in shape there, among other things, uses the so-called one-way effect a memory alloy.
Derartige Verbindungen sind in der Regel nur einmal zu verwenden, d.h. sie sind nicht mehrmals lös- und montierbar.Such connections are usually only to be used once, i.e. they cannot be detached and assembled several times.
Andererseits sind aus der DE-OS 2 331 568 und aus der US-PS 3 740 839 ebenfalls auf dem Einwegeffekt beruhende lösbare Verbindungen bekannt, welche ein gegenüber der Gedächtnislegierung als Antagonist wirkendes zusätzliches Federelement besitzen. Diese meist in Form von steckdosenähnlichen bilden ausgefuhrten Apparate haben nicht den Charakter fester kraftschlüssiger Verbindungen sondern gleichen eher klammerartigen Festhalte-Mechanismen.On the other hand, DE-OS 2,331,568 and US Pat. No. 3,740 839 also known releasable connections based on the one-way effect, which an additional spring element that acts as an antagonist compared to the memory alloy own. These mostly in the form of socket-like form apparatuses do not have the character strong, non-positive connections resemble more clamp-like retention mechanisms.
Die oben genannten Verbindungen weisen verhältnismässig komplizierte Formen auf und drften in ihrer Herstellung ziemlich aufwendig sein. Ausserdem erfüllen sie die an eine lösbare kraftschlüssige Verbindung gestellten Anforderungen nur teilweise. Es besteht daher der Wunsch nach einem Bauelement, welches den Betriebsbedingungen der Praxis in höherem Masse gerecht wird.The connections mentioned above are relatively complicated Forms and are likely to be quite complex to manufacture. Also meet they only meet the requirements placed on a releasable non-positive connection partially. There is therefore a desire for a component which the operating conditions is more appropriate to practice.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst aus einem einzigen Bauelement bestehende Schrumpfverbindung anzugeben, welche eine beliebige Anzahl montier- und demontierbar ist, wobei die zu verbindenden Teile keine bleibende Formänderung erleiden und jederzeit ohne Nacharbeiten wieder verwendet werden können.The invention is based on the object, if possible, of one single component to indicate existing shrink connection, which any Number can be assembled and disassembled, whereby the parts to be connected are not permanent Suffer from change in shape and can be used again at any time without reworking.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of the claims 1 and 6 solved.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is explained with the aid of the following figures Embodiments described.
Dabei zeigt: DHig. 1 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe uor dem Zusammenfügen bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 2 einen Längs schnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem Zusammenfügen bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem Zusammenfügen bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe vor dem Auseinanderziehen der Stäbe bei einer Temperatur unterhalb des mwandlungspunktes, Fig. 5 einen Längs schnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem vollständigen Lösen der Verbindung bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes.It shows: DHig. 1 shows a longitudinal section through a connecting sleeve and two rods before joining at a temperature below the transition point, Fig. 2 is a longitudinal section through a connecting sleeve and two Rods after joining at a temperature below the transformation point, 3 shows a longitudinal section through a connecting sleeve and two rods after they have been joined at a temperature above the transition point, FIG. 4 shows a longitudinal section by means of a connecting sleeve and two rods before the rods are pulled apart a temperature below the transition point, Fig. 5 is a longitudinal section a connecting sleeve and two rods after the connection has been completely loosened at a temperature below the transition point.
In Fig. 1 ist eine Schrumpfverbindung vor dem Zusammenfügen im Längsschnitt schematisch dargestellt. Eine Muffe 5 aus einer Gedächtnislegierung befindet sich auf einer Temperatur unterhalb des Punktes M5 der martensitischen Umwandlung, d.h. ihr Ausgangszustand ist martensitisch. Dabei weist sie einen solchen Innendurchmesser auf, welcher um einen geringen Betrag grösser ist, als der Aussendurchmesser der zu verbindenden Teile 1 und 2, so dass sich letztere leicht in die Muffe 5 einschieben lassen. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei 1 und 2 um glatte Rundstäbe aus Stahl. Die Bewegungsrichtung für das Zusammenfügen der Stahlstäbe 1 und 2 ist durch gegeneinander weiende Pfeile in der Längsrichtung angedeutet.In Fig. 1 is a shrink connection before joining in longitudinal section shown schematically. A sleeve 5 made of a memory alloy is located at a temperature below the point M5 of martensitic transformation, i.e. their initial state is martensitic. It has such an inner diameter on, which is a small amount larger than the outer diameter of the Parts 1 and 2 to be connected, so that the latter can easily be pushed into the socket 5 permit. In the present case, 1 and 2 are smooth round bars Stole. The direction of movement for joining the steel bars 1 and 2 is through mutually pointing arrows indicated in the longitudinal direction.
Fig. 2 zeigt den Zustand nach dem Zusammenfügen der Stahlstäbe 1 und 2 innerhalb der Muffe 5 bei einer Temperatur unterhalb M5 (martensitischer Zustand). Dabei befinden sich die Stirnseiten 3 und 4 der Stahlstäbe 1 und 2 ungefähr in der Mitte der Längenabmessung der Muffe 5. Die Stirnseiten 3 und 4 können sich berühren oder gegebenenfalls einen geringen Abstand voneinander aufweisen.Fig. 2 shows the state after joining the steel bars 1 and 2 inside the sleeve 5 at a temperature below M5 (martensitic state). The end faces 3 and 4 of the steel bars 1 and 2 are approximately in the Center of the length dimension of the socket 5. The end faces 3 and 4 can touch or optionally have a small distance from one another.
In Fig. 3 ist ein chematicher Längsschnitt durch die Verbindung nach dem Zusammenfügen der zu verbindenden Teile bei Betriebstemperatur, d.h. einer oberhalb des Punktes M5 der martensitischen Umwandlung liegenden Temperatur dargestellt.In Fig. 3 is a chemical longitudinal section through the connection according to the joining of the parts to be connected at operating temperature, i.e. one above the temperature lying at the point M5 of the martensitic transformation.
In diesem Zustand ist die Muffe 6 austenitisch und weist, verursacht durch radiale Kontraktion eine gegenüber dem martensitischen Zustand 5 (Ausgangszustand) reduzierte Form auf. Dabei werden durch das Zusammenziehen die durch Pfeile angedeuteten Radialkräfte auf die Stahlstäbe 1 und 2 auXgeübt, derart, dass diese radial zusammengedrückt werden. Die Formänderungen aller Teile 1, 2 und 6 erfolgen rein im elastischen Bereich. Stahlstab 1 weist also den elastisch deformierten Teil 7 und die elastische Einschnürung 9, Stahlstab 2 den elastisch deformierten Teil 8 und die elastische Einschnürung 10 auf.In this state, the sleeve 6 is austenitic and has caused due to radial contraction one compared to the martensitic state 5 (initial state) reduced form to. The contraction indicated by arrows Radial forces are exerted on the steel bars 1 and 2 in such a way that they are radially compressed will. The changes in shape of all parts 1, 2 and 6 take place purely in the elastic range. Steel rod 1 thus has the elastically deformed part 7 and the elastic constriction 9, steel rod 2, the elastically deformed part 8 and the elastic constriction 10 on.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe vor dem Auseinanderziehen der letzteren bei einer Temperatur, die unterhalb des Umwandlungspunktes N5 liegt. Dabei hat die Muffe 5 durch die erfolgte Expansion im martensitischen Zustand wieder die in Fig. 1 dargestellte Form angenommen. Die Stäbe 1 und 2 sitzen nur lose in der Muffe 4 und können in Längsrichtung aus dieser entfernt werden, was durch nach aussen weisende Pfeile angedeutet ist.Fig. 4 shows a schematic longitudinal section through a connecting sleeve and two rods before pulling the latter apart at a temperature which lies below the transition point N5. The sleeve 5 has taken place through the Expansion in the martensitic state again assumed the form shown in FIG. 1. The rods 1 and 2 sit only loosely in the sleeve 4 and can take off in the longitudinal direction this be removed, which is indicated by arrows pointing outwards.
In Fig. 5 ist der Zustand nach dem vollständigen Lösen der Verbindung dargestellt. Die Stäbe 1 und 2 sind aus der Muffe 5 entfernt. Die Dimensionen entsprechen genau denjenigen der Fig. 1, wodurch der Ausgangszustand bei einer Temperatur unterhalb von M5 wieder erreicht ist.In Fig. 5 is the state after the connection has been completely released shown. The rods 1 and 2 are removed from the socket 5. The dimensions correspond exactly that of Fig. 1, whereby the initial state at a temperature below is reached again by M5.
Es soll hier nochmals betont werden, dass die Muffe 5 bzw. 5 keinerlei innere Rauhigkeiten, Verzahnungen oder abgesetzte stellen aufweist, was ihre Herstellung ausserordentlich vereinfacht. Die Kraftübertragung der Verbindung gemäss Fig. 3 erfolgt demnach durch reine Reibung und es sind keine bleibenden Formänderungen, welche für eine beliebig lösbare Verbindung von schwerwiegendem Nachteil wären, zu befürchten.It should be emphasized here again that the sleeve 5 or 5 no internal roughness, toothing or offset points has what their production extremely simplified. The power transmission of the connection according to FIG. 3 therefore occurs through pure friction and there are no permanent changes in shape, which would be of serious disadvantage for any detachable connection, to fear.
Selbstverständlich können die Stäbe 1 und 2 auch aus einem beliebigen anderen Werkstoff als Stahl bestehen. Es können auch Hohlkörper, z.B. Rohre sein. Die Form ist nicht auf den in den Figuren dargestellten kreisüörmigen Querschnict begrenzt. Letzterer kann auch drei-, vier-, sechs-, achteckig, rechteckig (Flachstab) oder elliptisch sein.Of course, the rods 1 and 2 can also be made of any material other than steel. They can also be hollow bodies, e.g. pipes. The shape is not based on the circular cross-section shown in the figures limited. The latter can also be three-, four-, six-, octagonal, rectangular (flat bar) or be elliptical.
Ausführungsbeispiel I: iehe Fig. 1 bis 5.Embodiment I: see FIGS. 1 to 5.
Aus vorgeschmiedetem Halbzeug aus einer F'ormgedächtnislegierung wurde eine hohlzylindrische MufFe mit folgenden Dimenionen hergestellt: Aussendurchmesser: 26 mm Innendurchmesser: 19,6 mm Axiale Länge: 36 mm Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung: Titan: 44,75 Gew.-% Nickel: 48,25 Gew.-% Kupfer: 5 Gew.-% Eisen: 2 Gew.-% Die Temperatur der martensitischen Umwandlung M5 dieser Legierung beträgt -40OC.Forged semi-finished products made from a shape memory alloy became a hollow cylindrical socket with the following dimensions: Outer diameter: 26 mm inner diameter: 19.6 mm axial length: 36 mm The alloy had the following Composition: Titanium: 44.75% by weight nickel: 48.25% by weight copper: 5% by weight iron: 2 wt% The martensitic transformation temperature M5 of this alloy is -40OC.
Die Muffe wurde bei einer Temperatur von -50 C mittels eines Dornes um 1,9 mm auf einen Innendurchmesser von 21,5 mm aufgeweitet, was einem Ver£ormungsgrad von 9,7 % entspricht.The socket was at a temperature of -50 C by means of a mandrel expanded by 1.9 mm to an inner diameter of 21.5 mm, which represents a degree of deformation of 9.7%.
Hierauf wurde bei der gleichen Temperatur je ein glatter zylindrischer tahlstab von 20 mm Durchmesser auf jeder Seite in die Muffe eingeführt (Fig. 2) und das Ganze auf Raumtemperatur erwärmt (austenitischer Zustand). Durch den Gedächtniseffekt zog sich die Muffe zusammen, so dass eine feste Verbindung entstand (Fig. 3). Nach einer abermaliger Abkühlung auf eine Temperatur von -50°C (martensitischer Zustand) expandierte die Muffe derart, dass die Stahlstäbe ohne äußere Kraftanstrengung aus der Muffe entfernt werden konnten. Dieser Zyklus wurde mehrere Male wiederholt, zähne dass ein Nachlassen der durch den Zweiwegeffekt verursacht ten Radialkraßte festgestellt werden konnte.Then a smooth cylindrical one at the same temperature steel rod of 20 mm diameter inserted into the socket on each side (Fig. 2) and the whole is warmed to room temperature (austenitic state). Through the memory effect the sleeve contracted so that a firm connection was created (Fig. 3). To another cooling to a temperature of -50 ° C (martensitic state) The sleeve expanded in such a way that the steel rods came out without any external exertion the sleeve could be removed. This cycle was repeated several times, teeth that a decrease in the radial stresses caused by the two-way effect could be determined.
Beim Aufweiten von Hohlkörpern unterhalb MS sind betränht- liche Kräfte erforderlich, da sich der Martensit bei den für den Zweiwegeffekt notwendigen Verformungsgraden stark verfestigt. Es empfiehlt sich daher, beim Aufdornen entsprechende geeignete Schmiermittel anzuwenden.When expanding hollow bodies below the MS, liche Forces required because the martensite is at the necessary for the two-way effect Degree of deformation strongly consolidated. It is therefore advisable to use the appropriate use suitable lubricants.
Ausführungsbeispiel II: iehe Fig. 1 bis 5.Embodiment II: see FIGS. 1 to 5.
Aus dem Werkstoff gemäss Beispiel I wurde ein Ring von 20 mm axialer Länge (übrige Dimensionen wie Beispiel I) herausgearbeitet und in gleicher Weise auf 21,5 mm Innendurchmesser aufgeweitet. Hierauf wurde der Ring auf einen Stahlstab von 20 mm Durchmesser aufgeschrumpft, indem auf gleiche Art wie in Beispiel I verfahren wurde. Nach einer Abkühlung auf -50 0C konnte der Ring leicht vom Stahlstab abgestreift werden. Nun wurde das Ganze während 50 h auf einer Temperatur von 250 0C gehalten. Nach dieser Wärmebehandlung und Prüfung in einem weiteren Abkühlungs/Erwärmungszyklus konnte kein Nachlassen des Zweiweg-Gedächtniseffektes festgestellt werden.A ring 20 mm more axial was made from the material according to Example I Length (other dimensions as in Example I) worked out in the same way expanded to 21.5 mm inner diameter. The ring was then placed on a steel rod 20 mm in diameter, by proceeding in the same way as in Example I. became. After cooling to -50 ° C., the ring could easily be stripped from the steel rod will. Now the whole thing was kept at a temperature of 250 ° C. for 50 h. After this heat treatment and testing in a further cooling / heating cycle no decrease in the two-way memory effect could be ascertained.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Beispielen angegebenen Ausführungen. Es können insbesondere folgende Legierungen Verwendung finden: Titan: 43 bis 45 Gew.-% Kupfer: 2 bis 10 Gew.-% Eisen: 1 bis 3 Gew.-% Nickel: Rest c,anz allgemein eignen sich für die Herstellung der Schrumpfolteile alle Gedächtnislegierungen des Typs Ni/Ti oder Ni/Ti/Cu, welche noch weitere metallische Zusätze zur Beeinflussung der Umwandlungstemperatur M5 und der mechanischen Eigenschaften enthalten können und den Zweiwegeffekt zeigen. Zur Durchführung des Verfahrens wird das zur Schrumpfung bestimmte Hohlt 1 aus Gedächtnislegierung im martensitischen Gefügezustand (Temperatur unterhalb Ms) zweckmässigerweise um einen Betrag von 6 bis 12 (Verformungsgrad, aufgeweitet. Die Dimensionierung der Muffe soll dergestalt vorgenommen werden, dass sich die zu verbindenden Bauteile lose bis gut passend in die Muffe einschieben lassen.The invention is not limited to those given in the examples Executions. In particular, the following alloys can be used: Titanium: 43 to 45% by weight copper: 2 to 10% by weight iron: 1 to 3% by weight nickel: remainder c, num In general, all memory alloys are suitable for the production of the shrink-on parts of the type Ni / Ti or Ni / Ti / Cu, which other metallic additives to influence the transformation temperature M5 and the mechanical properties can contain and show the two-way effect. To carry out the procedure the hollow part 1 made of memory alloy intended for shrinkage in the martensitic Structural condition (temperature below Ms) expediently by an amount of 6 up to 12 (degree of deformation, expanded. The dimensioning of the socket should be such be made that the components to be connected are loose to fit well slide into the socket.
Durch das erfindungsgemässe Hohlteil und das erfindungsgemässe Verfahren wurde eine in ihrer Herstellung und Anwendung sehr einfache, jederzeit wiederholt lösbare und wieder montierbare feste und kraftschlüssige Schrumpfverbindung geschaffen, welche die glatten, zu verbindenden Bauteile nur im elastischen Bereich deformiert und keinerlei bleibende Formänderungen hiterläst. Dadurch werden Nacharbeiten an irgendwelchen Bauelementen im Verlauf eines Löse- und Wiedermontier-Zyklus vermieden.By the hollow part according to the invention and the method according to the invention a very simple one in its manufacture and application was repeated at any time detachable and re-mountable fixed and force-fit shrink-fit connection created, which only deforms the smooth components to be connected in the elastic area and does not leave any permanent changes in shape. This will make rework on avoided any components in the course of a release and reassembly cycle.
Bezeichnungsliste 1 = Stahlstab I 2 = Stahlstab II 3 = Stirnseite Stahlstab I zu = Stirnseite Stahlstab II 5 = muffe aus Gedächtnis legierung bei tiefer Temperatur (Ausgangszustand: martensitisch) 6 = Muffe aus Gedächtnislegierung bei Betriebstemperatur (Betriebszustand: austenitisch) 7 = Elastisch deformierter Teil Stahlstab I 8 = Elastisch deformierter Teil Stahlstab II 9 = Elastische Einschnürung Stahlstab I 10 = Elastische Einschnürung Stahlstab TI LeerseiteDescription list 1 = steel rod I 2 = steel rod II 3 = front side Steel bar I closed = front side steel bar II 5 = sleeve made of memory alloy low temperature (initial state: martensitic) 6 = socket made of memory alloy at operating temperature (operating condition: austenitic) 7 = elastically deformed Part of steel rod I 8 = elastically deformed part of steel rod II 9 = elastic constriction Steel bar I 10 = elastic constriction steel bar TI Blank page
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