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Verfahren zur Verbindung metallischer Körper mit Körpern aus niehtleitendem Stoff, z. B. keramischen Iiörpern, mit Hilfe von Elektroden.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach dem Erfindungsgedanken dienen dazu, um metallische
Teile in bzw. an Körper aus spröden Werkstoffen, insbesondere aus keramischen Materialien, zu be- festigen.
Bei den bisher gebräuchlichen Befestigungen metallischer Teile in Körpern aus spröden Werk- stoffen wurden die spröden Werkstoffe häufig durch die erforderlichen hohen Drücke oder schlagartigen
Beanspruchungen beschädigt. Die Verfahren waren daher unwirtschaftlich und, da kein satter Sitz der Metallteile in dem spröden Werkstoff gewährleistet war, ungenau.
Es ist bereits ein elektrisches Nietverfahren bekannt geworden, bei welchem der eigentliche Nietschaft seine Gestalt behält, da er nur an dem Teil seiner Länge erhitzt wird, an dem er geringeren
Querschnitt aufweist. Infolgedessen fand ein Anliegen des in der Bohrung befindlichen Metallkörpers längs seines ganzen Umfanges nicht statt.
Gemäss der Erfindung wird das Verfahren derart durchgeführt, dass in Ausnehmungen in einem Körper aus nichtleitendem Stoff metallische Körper eingeführt, danach durch elektrischen Strom so weit geschmolzen werden, dass das zwischen den beiden Körpern bestehende Spiel, gegebenenfalls unter Ausübung eines ganz geringen Druckes, durch den geschmolzenen Körper beseitigt wird, um das bisher übliche Einkitten zu vermeiden. Bei diesem Verfahren werden die Stifte elektrisch erwärmt und können hiebei verfestigt werden, oder nehmen sie bloss einen teigigen Zustand an. Diese elektrische Verflüssigung geht, wie die Versuche gezeigt haben, so schnell vor sich (etwa 1/10 Sek.), dass eine Erwärmung des keramischen Körpers nicht stattfinden kann.
Wird der Körper nur in teigigen Zustand versetzt, so ist dann nur ein geringer Pressdruck erforderlieh, um den Körper zu befestigen (Kopfbildung od. dgl.).
Bei dem Verfahren nach dem Erfindungsgedanken werden die metallischen Körper oder Teile derselben in Höhlungen oder Bohrungen der Körper aus sprödem Material eingesetzt, wobei sie ein Spiel gegenüber der Bohrung haben können. Nach dem Einsetzen werden sie von einer Elektrode berührt oder umfasst und auf den in der Bohrung befindlichen Teil des metallischen Körpers eine weitere Elektrode aufgesetzt. Diese Höhlungen oder Bohrungen können beliebig gestaltet sein, z. B. zylindrisch ein-oder beiderseitig kegelig oder rechteckig, ihre Wandungen können mit Riefen oder Vertiefungen versehen sein. Es wird hiedurch, besonders bei Berücksichtigung des bei der Abkühlung eintretenden Zusammenziehens des in der Bohrung befindlichen Teiles des Körpers, ein absoluter Festsitz erreicht.
Die Vertiefungen in den Wandungen der Bohrung können parallel zur Bohrungsachse oder auch senkrecht zu dieser verlaufen, so dass die eingesetzten metallischen Bauteile auch gegen Verschiebung gesichert sind und eine Abdichtung gegen Flüssigkeits-oder Gasdruck erzielt wird, wie sie bei den Mittelelektroden der Zündkerzensteine. erforderlich ist. Die Bohrungen und Höhlungen der keramischen Werkstücke können vor dem Einsetzen der metallischen Bauteile zwecks Erhöhung der Gasdichtigkeit mit einer Glasur versehen werden. Der erwärmte Teil der eingesetzten Körper bringt diese Glasur zum Schmelzen und verbindet sich mit ihr, so dass ein Festbrennen eintritt.
Der zu befestigende metallische Körper oder ein Teil desselben kann durch die Höhlung oder Bohrung des Körpers aus sprödem Werkstoff hindurchgehen und aus diesem herausragen, so dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ein Kopf gebildet werden kann. Dieser Kopf kann beliebig gestaltet werden. Er kann im Gegensatz zu den bei keramischen Materialien gebräuchlichen Einniet-und Einrollverfahren sehr gross ausgebildet werden, so dass ein sehr hoher Festsitz des metallischen
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Bauteiles erreicht wird. Die obere Elektrode kann hohl ausgebildet sein. In dieser Höhlung kann ein wärmebeständiger Stössel verschiebbar angeordnet sein.
Nach dem Aufsetzen der Elektrode und nach dem Erwärmen des metallischen Bauteiles können durch diesen Stössel Vertiefungen in dem elektrisch erwärmten metallischen Bauteil hergestellt werden. Die Vorsprünge an den Bauteilen lassen sich nicht nur bei Rotationskörpern anordnen, sondern auch bei Materialien mit rechteckigem Querschnitt. Es ist ausserdem möglich, einen Körper mit mehreren derartigen Vorsprüngen zu versehen und diese einzeln oder gleichzeitig nach elektrischer Erwärmung zu verformen.
Sollen keine Vorsprünge vorgesehen werden, so können bei grösseren Körpern auch Teile der Randzonen nach lokaler elektrischer Erwärmung niedergedrückt werden, so dass hiedurch Nasen ent- stehen, die den Körper in dem zu befestigenden Werkstück festhalten.
Der Hals der Bohrungen der Werkstücke aus sprödem Werkstoff kann ausgenommen sein, so dass die erwähnten Köpfe in diese Ausnehmung eingebettet sind. Es können ausserdem für die zu bildenden Köpfe besondere Vertiefungen vorgesehen werden. Die metallischen Bauteile werden zweckmässig mit einem Bund versehen, damit sie sich bei Abkühlung gegenüber dem zu befestigenden Werkstück festziehen können. Sollen glatte Wellenteile oder Stifte in Bohrungen befestigt werden, so ist es zweckmässig, die Bohrung beiderseitig mit einer Senkung zu versehen oder mit senkrecht zur Bohrungsachse verlaufenden Aussparungen, Rillen oder Vertiefungen. Der einzusetzende Stift wird beiderseitig von einer Elektrode erfasst, in diese Bohrung eingetaucht und passt sich ihrer Form an.
Bei Körpern aus elektrisch leitenden Materialien werden diese Stifte mit einem elektrisch nicht leitenden Überzug versehen, so dass der zur Erwärmung zugeführte Strom nur durch diesen Stift hindurchfliesst und diesen erwärmt.
Die einzusetzenden metallischen Bauteile, insbesondere deren Zapfen, können so gestaltet sein, dass die Zonen, in denen bei der elektrischen Erwärmung die höchsten Temperaturen entstehen sollen, genau vorausbestimmbar sind. Es würde z. B. bei einer Verjüngung eines Stiftes, der in eine längere Bohrung eingesetzt werden soll, die höchste Temperatur an einem Stiftteil mit dem geringsten Querschnitt entstehen, so dass auch hier die grösste Verformung eintreten könnte. Bei entsprechend vorgesehenen Aussparungen senkrecht zur Bohrungsachse würde sich das Material des Stiftes leicht in diese Aussparungen formen lassen.
Soll bei metallischen Körpern mit veredelter Oberfläche ein Anlaufen durch zu hohe Temperaturen vermieden werden, so kann an diesen Stellen die Wärme durch Anlegen von Kühlplatten oder durch Kühlen mit flüssigen oder gasförmigen Stoffen abgeleitet werden.
Die metallischen Bauteile werden gegenüber den Werkstücken aus spröden, insbesondere aus keramischen Materialien vor der Befestigung nach dem erfindungsgemässen Verfahren zweckmässig
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ist die Einhaltung genauer Abstände und Lagen von ein oder mehreren Bauteilen gegeneinander und gegenüber den einzusetzenden Werkstücken durch Verwendung entsprechender Vorrichtungen. Beim Brennen tritt bekanntlich bei keramischen Materialien ein starkes Schwinden und Verwerfen ein, so dass die Bohrungen nicht mehr parallel zueinander verlaufen und auch der Abstand der Bohrungsmitte sich ändert. Sollen z. B. in eine Platte mehrere Kontaktstifte eingesetzt werden, so kann der Abstand dieser Stifte in einer Vorrichtung genau eingehalten werden.
Die Ungenauigkeiten im keramischen Material werden dann, da ja bei der elektrischen Erwärmung die Zapfen der Kontaktstifte sehr plastisch sind, ausgeglichen.
Es zeigt Fig. 1 einen geschlitzten Steckerstift vor der Befestigung in einem keramischen Bauteil, Fig. 2 den Steckerstift nach der Befestigung, Fig. 3 die Anordnung der stromführenden Elektroden bei Durchführung des Befestigungsverfahrens, Fig. 4 einen in einer Platte befestigten Gewindestift, Fig. 5 eine in einer Platte befestigte Klemme für elektrische Zuleitungen, Fig. 6 die Anordnung der stromführenden Elektroden bei Durchführung des Verfahrens zur Befestigung einer Klemme, Fig. 7 einen flachen, metallischen Bauteil vor dem Einsetzen in eine Platte, Fig. 8 die Draufsicht zu Fig. 7, Fig. 9 einen grösseren metallischen Bauteil mit ausgehöhltem Zapfen und Vorsprüngen, Fig. 10 die Draufsicht zu Fig. 9, Fig. 11 einen grösseren metallischen Bauteil rechteckigen Querschnittes mit elektrisch angestauchen Befestigungsnasen, Fig. 12 die Draufsicht zu Fig.
11, Fig. 13 die Anordnung von geteilten stromführenden Elektroden vor Durchführung des Verfahrens zur Befestigung eines glatten Wellenteiles in einem Werkstück, Fig. 14 die Ausbildung der Bohrung in einem Werkstück, Fig. 15 die Anordnung von geteilten stromführenden Elektroden nach Durchführung des Verfahrens zur Befestigung eines glatten Wellenteiles in einem Werkstück, Fig. 16 die Anordnung von stromführenden Elektroden zur Durchführung des Verfahrens zur Verstiftung zweier Bauteile durch einen glatten zylindrischen Körper, Fig. 17 die Anordnung von stromführenden Elektroden zur Durchführung des Verfahrens zur Verstiftung eines elektrisch leitenden Bauteiles mit einem Bauteil aus sprödem Material durch einen glatten, zylindrischen Körper, der mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen ist, Fig.
18 den oberen Teil eines Körpers, der in einer Bohrung mit einer Längsriefelung befestigt ist, Fig. 19 die Draufsieht auf die Platte nach Fig. 18, Fig. 20 die gleichzeitige Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei metallischen Körpern während der Durchführung des Befestigungsverfahrens, Fig. 21 die Draufsicht zu Fig. 20, Fig. 22 den oberen Teil eines metallischen Körpers mit angeschweisstem oder
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angelötetem Zuleitungsdraht, Fig. 23 die Draufsicht zu Fig. 22, Fig. 24 die Ausbildung der oberen, stromführenden Elektrode mit einer Bohrung, in der ein hitzebeständiger Stössel abwärts bewegt werden
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Fig. 25 die Anordnung einer Höhlung in der oberen, stromführenden Elektrode zwecks Herstellung von Köpfen bestimmter Form, Fig.
26 den oberen Teil eines hülsenförmigen metallischen Körpers nach Durchführung des Befestigungsverfahrens und Fig. 27 den Ausgleich von Ungenauigkeiten sowohl in der Parallelität als auch in der Entfernung von Bohrungen in Bauteilen aus spröden Materialien.
In den Figuren ist der metallische Körper jeweils mit a bezeichnet, der nach Durchführung des
Befestigungsverfahrens entstehende Kopf mit b, die Elektroden mit c und d, ihre Zuleitungen mit e und f, die Körper aus sprödem Material mit g, die Bohrungen in ihnen mit h, die Erweiterungen am Bohrungs- hals mit i, der Überzug zur elektrischen Isolierung eines einzusetzenden Stiftes mit k, die Zuleitung- drähte mit !, die Aussparungen der oberen Elektrode mit m, die Bohrung in der oberen Elektrode mit n und der in n angeordnete hitzebeständige Stössel mit v.
In Fig. 1 wird gezeigt, dass der geschlitzte Steekerstift a in eine Bohrung h eines Körpers g eingesetzt werden kann, die erhebliches Spiel gegenüber ersterem haben kann. Nach Durchführung des erfindungsgemässen Verfallrens wird diese, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ausgefüllt. Der Kopf b kann sehr gross ausgebildet werden. Er entsteht durch Ausübung eines geringen Elektrodendruckes durch die obere Elektrode c nach Fig. 3. Der untere Teil des zu befestigenden Stiftes wird von der Elektrode d berührt. Eine Kopfbildung ist nicht unbedingt erforderlich, es genügt vielmehr wenn ein dichtes Anliegen des metallischen Körpers an der Bohrungswandung erreicht wird, die ja von Natur aus rauh ist. Ist zwecks Erzielung einer höheren Festigkeit der Verbindung ein Kopf erwünscht, so kann für diesen nach Fig. 3 bzw.
Fig. 6 eine entsprechende Aussparung am Ende der Bohrung vorgesehen werden.
Die Befestigung der flachen Platte a nach Fig. 7 erfolgt durch Anordnung von einem oder mehreren Vorsprüngen, die dann durch eine Elektrode niedergedrückt werden, so dass die gestrichelt dargestellten Köpfe b entstehen. In ähnlicher Weise erfolgt die Befestigung von Körpern grösseren Querschnittes, wie das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10 zeigt. Es ist nicht erforderlich, dass der gesamte
Querschnitt des Körpers erwärmt wird. Der im Werkstück aus sprödem Material befindliche Teil des Körpers kann vor der Befestigung hohl ausgebildet werden und gleichfalls mit entsprechenden Vorsprüngen versehen werden. Diese Vorsprünge können dann einzeln oder gleichzeitig elektrisch niedergedrückt werden, so dass die gestrichelt dargestellten Köpfe b entstehen.
Auch ohne dieser Vorsprünge ist die Befestigung von schweren metallischen Bauteilen möglich, wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 zeigt. Durch Niederstauchen einzelner elektrisch erwärmter Zonen am Umfang des metallischen Bauteiles entstehen hier Nasen b, die den metallischen Körper a fest im Werkstück g halten.
Die metallischen Körper nach den Fig. 1 bis 12 sind mit Bunden oder Vorsprüngen versehen, damit ein festes Anliegen am Werkstück aus sprödem Material erzielt wird.
Die Fig. 13 bis 15 zeigen wie eine glatte Welle a in das Werkstück g eingesetzt werden kann.
Die Bohrung besitzt Erweiterungen i. Der Körper a wird von geteilten, stromführenden Elektroden c und d in einem gewissen Abstand vom Werkstück g erfasst. Der Strom wird zugeleitet und nach der Erwärmung des zwischen den Elektroden liegenden Teiles des Körpers a dieser in die beiderseitig konisehe Bohrung eingetaucht, so dass Wulste b nach Fig. 15 entstehen. Die Erweiterung in der Bohrung h braucht nicht am Ende der Bohrung zu sein, sie kann sich auch im Innern derselben befinden. Es können hier kugelförmige Erweiterungen angeordnet sein oder auch Quer-bzw. Längsrillen. Bei dem hier vorliegenden Verfahren wird sich der metallische Bauteil jeweils in diese Aussparungen einfügen, so dass eine Verdrehung bzw. Längsverschiebung unmöglich wird und auch eine gleichzeitige Abdichtung eintritt.
Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein derartiger Stift a zur Verbindung von Bau-
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von a wird die Bohrung h in g'ganz ausgefüllt, so dass hiedurch gleichzeitig eine vollkommene Sicherung des Stiftes gegen Längsverschiebung eintritt. Ist der Bauteil g nach Fig. 17 elektrisch leitend, so würde beim hier gezeigten Verfahren der Strom nicht durch den Stift a hindurchfliessen, sondern gleichzeitig durch den metallischen Körper. Um dies zu verhindern, wird in diesem Falle der Körper a mit einem elektrisch isolierenden Überzug k versehen, so dass der Strom nur durch a hindurchfliesst. Die weiteren Schritte des Verfahrens sind dann die gleichen, wie bereits beschrieben wurde.
Fig. 18 zeigt die Anordnung einer Längsriefelung i in der Bohrung der Platte g. Diese Riefelung wird vollkommen ausgefüllt.
Gleichzeitig während der Durchführung des Befestigungsverfahrens können nach den Fig. 20 bis 23 elektrische Verbindungsleitungen l mit angeschweisst oder gelötet werden. Die zu befestigenden Zuleitungen l können mit Bohrungen versehen sein, so dass der Kopf b über dem Streifen liegt, oder sie können, wie Fig. 22 zeigt, auf dem Kopf befestigt werden. Der obere Teil der Elektrode c besitzt
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dem Aufsetzen der Elektrode c auf den Bauteil a erwärmt sich nach der Stromzuführung der obere Teil von a. Es wird nunmehr der Stössel o nach unten bewegt, so dass die Vertiefung p in dem entstehenden Kopf b gebildet werden kann.
Soll der Kopf eine bestimmte Form erhalten, so ist, wie in Fig. 25 gezeigt ist, eine entsprechende Ausbildung der oberen Elektrode c durch Anordnung einer Aussparung m möglich.
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Der Kopf b wird dann die Form von m annehmen. Ausser den massiven metallischen Bauteilen lassen sich selbstverständlich auch hohle zylindrische Körper nach Fig. 26 in der gleichen Weise befestigen. Die Annäherung der Elektroden erfolgt nicht stossartig. Der von den Elektroden auszuübende Druck ist ausserordentlich gering. Die Hauptverspannung des metallischen Bauteiles gegenüber dem Werk- stück aus sprödem Material erfolgt erst während dessen Abkühlung. Bei den bisher gebräuchlichen, oben angeführten, im kalten Zustande durchgeführten Verfahren fehlt dieses langsame Zusammenziehen. Es ist bei diesen Verfahren die Anwendung eines hohen Verformungsdruckes erforderlich.
Infolge ihrer Elastizität federn die eingesetzten Bauteile nach dem Aufhören des Arbeitsdrucks wieder etwas zurück, so dass nie ein absoluter Festsitz erreicht wird. Das innige Anliegen an der Bohrungswandung oder das Ausfüllen von Längs-oder Querriefelungen oder die Verschmelzung mit der Glasur von Bohrungen ist selbstverständlich bei diesen Verfahren unmöglich.
Fig. 27 zeigt den Ausgleich von Ungenauigkeiten sowohl in der Richtung als auch in der Lage von Bohrungen und Aussparungen h des Körpers g aus sprödem Material in den die Bauteile a eingesetzt werden sollen. Bekanntlich tritt bei keramischen Materialien beim Brennen ein ausserordentlich starkes Schwinden, Verziehen und Verwerfen ein, so dass die Lage und die Entfernung der Bohrungen voneinander stark geändert wird. Sollten z. B. in diese Körper Steckerstifte eingesetzt werden, von denen eine absolute Parallelität sowie eine vorgeschriebene Entfernung verlangt wird, so ist dies bei den bisher gebräuchlichen Verfahren unmöglich. Das erfindungsgemässe Verfahren gleicht diese Ungenauigkeiten aus. Die Elektrodenstifte a werden in einer Vorrichtung in der verlangten Lage gehalten und hierauf der Kopf g gebildet.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird nun der obere Teil der Stifte a sich der ungenauen Lage und Richtung der Bohrungen in g anpassen, ohne dass die Parallelität und der Abstand r darunter leiden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbindung metallischer Körper mit Körpern aus nichtleitendem Stoff, z. B. keramischen Körpern, mit Hilfe von Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass in Ausnehmungen in einem Körper aus nichtleitendem Stoffj metallische Körper eingeführt, danach durch elektrischen Strom so weit geschmolzen werden, dass das zwischen den beiden Körpern bestehende Spiel, gegebenenfalls unter Ausübung eines ganz geringen Druckes, durch den geschmolzenen Körper beseitigt wird, um das bisher übliche Einkitten zu vermeiden.