Verfahren und Einrichtung zum Verformen eines Metallstückes Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen eines Metallstückes unter Verwendung einer mit einer Vertiefung versehenen Form.
Ein bekanntes Verfahren zum Verformen, insbe sondere Ausbauchen eines Metallrohres, das durch die Anwendung eines hohen hydraulischen Druckes gekenn zeichnet ist, wird hydraulisches Ausbauchverfahren ge nannt. Infolge des hohen statischen hydraulischen Druk- kes, der bei diesem bekannten Verfahren auftritt, müs sen die zu dessen Ausübung benötigten Einrichtungen sehr hohen Beanspruchungen gewachsen sein und dem entsprechend gross und aufwendig gebaut sein. Trotz des grossen Aufwandes ist der Wirkungsgrad solcher mit statischem Druck arbeitenden Einrichtungen im allge meinen niedrig.
Zusätzlich ist der Bau von den bei die sen Einrichtungen benötigten dichten hydraulischen Druckkammern mit dem Einsatz komplizierter Dich tungsvorrichtungen verbunden, welche die unter hohem Druck stehende Arbeitsflüssigkeit am Austritt hindern.
Das erfindungsgemässe Verfahren vermeidet diese Nachteile dadurch, dass das zu verformende Metallstück vor die Vertiefung der Form gebracht wird und dass zum Verformen des Metallstückes entsprechend der Gestalt der Vertiefung der Form eine Flüssigkeit unter dynamischer Druckwirkung gegen das Metallstück ge richtet wird.
Dabei kann es zweckmässig sein, während eines Verformungsvorganges eine oder mehrere schlagartig auftretende Druckwellen in der Flüssigkeit zu erzeugen, die auf das Metallstück einwirken und die zum Prägen, Tiefziehen, Stanzen, Biegen oder dergleichen ausgenützt werden.
Bei diesen Verformungsvorgängen kann es von Vor teil sein, zur Verbesserung der Verformbarkeit das zu verformende Metallstück zuerst zu erwärmen, so dass auch Metallstücke, die infolge grosser Dicken oder kom plizierter Gestalt eine schlechte Kaltverformbarkeit auf weisen, ohne Schwierigkeiten verformbar werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrich tung zur Ausübung des Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch Wandungen, welche eine Flüssigkeit enthal tende Druckkammer umgeben, durch einen gleitbar in den genannten Wandungen angeordneten, in die Druck kammer hineinreichenden Kolben, der eine Partie auf weist, welche zur Erzeugung einer brüsken Kolbenbe wegung und eines damit verbundenen plötzlichen Druck anstieges in der Flüssigkeit der Druckkammer einer schlagartig einsetzenden Kraft aussetzbar ist.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung wird somit der dynamische Druck der Flüssigkeit ausgenützt. Dies kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ein richtung dadurch geschehen, dass gegen das zu ver formende Meiallstück ein Flüssigkeitsstrahl gerichtet wird, in welchem sich schlagartig erzeugte Druckwellen fortpflanzen und auf das Metallstück einwirken, so dass keine der oben erwähnten abgedichteten Druckkammern benötigt wird, sondern mit einer offenen Druckkammer gearbeitet werden kann, was eine wesentliche Verein fachung der Einrichtung bedeutet.
Es kann auch von Vorteil sein, den zum Verformen des Metallstückes wirksamen Druck dadurch in der ge wünschten Grösse zu erzeugen, dass dem Kanal, durch welchen Druckwellen von der Druckkammer auf das zu verformende Metallstück übertragen werden, eine ge eignete Gestalt gegeben wird, deren Wirkung in einer Erhöhung oder Erniedrigung des hydraulischen Druckes bestehen kann.
Schliesslich kann es vorteilhaft sein, im Kanal zur übertragung der Druckwellen ein weiteres Medium un terzubringen, durch welches sich mindestens ein Anteil einer jeweils erzeugten Druckwelle fortpflanzt und wo bei durch geeignete Wahl und Anordnung des genannten weiteren Mediums Wellenform, Grösse des Druckes so wie Lage und zeitliche Folge der auf das Metallstück wirkenden Druckwellen in weiten Bereichen verändert werden können. Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in wel cher anhand der beiliegenden Zeichnungen Beispiele zur Ausübung des Verfahrens und Ausführungsbeispiele der Einrichtung beschrieben werden.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausfüh rungsbeispiel einer Einrichtung, Fig. 2 bis 7 verschiedene Formen und mit diesen geformte Metallstücke sowie Anordnungen zum Ver formen, Fig. 8 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungs beispielen einer Einrichtung, Fig. 9 einen Teil des zweiten Ausführungsbeispieles gemäss Fig. 8, dargestellt im Zeitpunkt nach dem Ver formen eines Metallstückes, Fig. 10 einen Längsschnitt durch ein drittes Aus führungsbeispiel der Einrichtung, Fig. 11 einen Längsschnitt durch ein viertes Aus führungsbeispiel der Einrichtung,
Fig. 12 einen Längsschnitt durch diejenige Partie des vierten Ausführungsbeispieles, welche den Kanal zur Übertragung der Druckwellen aufweist und Fig. 13 einige an verschiedenen Stellen im Kanal zur Übertragung der Druckwellen auftretende Wellen formen.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel weist eine hydraulische Druckkammer 1 mit einer seit lich nach aussen gerichteten zylindrischen Partie 2 auf, in welcher ein Kolben 3 in einer Gleitführung angeord net ist.
Zum flüssigkeitsdichten Abdichten des zwischen der zylindrischen Partie 2 und dem Kolben 3 vorhande nen Spaltes ist ein Dichtungsring 4 in einer Nut der zylindrischen Partie 2 eingelegt. Der Kolben 3 ist so weit aus der Druckkammer 1 herausgezogen, dass sein äusseres Ende mit einer schlagartig wirkenden Kraft F beaufschlagbar ist, die von einem geeigneten Mittel, beispielsweise einem Presslufthammer, herrührt, und dass sich dabei der Kolben 3 in die Druckkammer 1 bewe gen kann, wodurch die sich darin befindende Flüssigkeit, im folgenden wird angenommen, dass es sich bei der letzteren um Wasser handelt, komprimiert wird.
Auf der dem Kolben 3 gegenüberliegenden Seite weist die Druckkammer 1 eine Zuleitungsbohrung 6 auf, an wel cher eine in der Zeichnung nicht dargestellte Wasser quelle mit konstantem Speisedruck, beispielsweise eine Zuleitung vom Wasserversorgungsnetz, unter Zwischen schaltung eines Rückschlagventils 5 an die Druckkam mer 1 angeschlossen ist. Durch das Rückschlagventil 5 wird die Flussrichtung des Wassers auf die Zuflussrich- tung zur Druckkammer 1 beschränkt.
Die beschriebene Einrichtung zum Verformen mit tels eines Wasserstrahles arbeitet wie folgt: Die Druck kammer 1 wird über die Zuleitungsbohrung 6 und das durch den Druck des zugeleiteten Wassers offengehaltene Rückschlagventil 5 mit Wasser gefüllt. Bei vollständig gefüllter Druckkammer 1 strömt das Wasser aus der Strahldüse 7 aus. Wird nun anschliessend der Kolben 3 durch eine plötzlich auf diesen wirkende Kraft F schlag artig in die Druckkammer 1 hineingetrieben, so steigt der Druck des sich in der letzteren befindenden Wassers abrupt auf einen sehr hohen Wert, beispielsweise inner halb einiger hundert Mikrosekunden auf einige hundert kg/cm'-', und das Wasser schiesst als wuchtiger Strahl aus der Strahldüse 7.
Die durch die Strahldüse 7 gerichtet wirkende Kraft des Wassers wird zum Verformen von Metallstücken verwendet. Die dem Wasser über den Kolben durch die schlagartig wirkende Kraft F zugeführte Energie pflanzt sich im Wasser in der Form einer Druckwelle mit ho her Druckamplitude fort und hat zur Folge, dass der Mittelwert des Wasserdruckes innert kürzester Zeit an steigt. Dabei gilt, dass das Produkt aus der Menge des Wassers, das aus der Strahldüse 7 herausschiesst, und aus seinem Druck annähernd proportional zu der dem Wasser zugeführten Energie ist. Ferner gilt nach dem Gesetz von Bernoulli, dass die Geschwindigkeit des aus der Strahldüse 7 austretenden Strahles annähernd pro portional zur Quadratwurzel aus dem Wasserdruck ist.
Schlägt der Wasserstrahl auf einem Gegenstand auf, wobei eine gewisse Wassermenge den Gegenstand mit einer gewissen Geschwindigkeit trifft, so ist die vom Strahl auf den Gegenstand ausgeübte Kraft proportional zum Produkt aus der Menge des aufschlagenden Wassers und dessen Geschwindigkeit. Infolgedessen wird der getroffene Gegenstand durch die Kraft dann deformiert und in seiner Gestalt verändert, wenn er oberhalb seiner Streckgrenze beansprucht wird.
Beim ersten Ausführungsbeispiel (Fig.l) ist der Strahldüse 7 gegenüber eine eine Vertiefung aufweisende Form 10 angeordnet, die beispielsweise entsprechend einem zum Tiefziehen oder Stanzen benötigten Unter gesenk beschaffen ist. Vor die Vertiefung d r Form 10 wird eine Metallplatte gelegt, die durch den Wasser strahl 9 entsprechend der Gestalt der Vertiefung tiefge zogen, mit Ausstanzungen versehen oder gebogen wird. In Fig. 1 ist die Metallplatte 11 im bereits verformten Zustand dargestellt. Zum Verformen der Metallplatte 11 werden in der Praxis bei einem Verformungsvorgang mittels des Kolbens 3 eine oder mehrere Druckwellen erzeugt.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Form 10 kann eine Metallplatte 11 gleichzeitig tiefgezogen und mit Aus stanzungen versehen werden. Die Form 10 weist zu diesem Zweck Öffnungen 12 auf, durch welche die Stanzbutzen austreten können.
Fig. 3 zeigt ferner eine Form 10 mit einer hinter- schnittenen Partie, in welcher eine Öffnung 12 zum Erzeugen einer Ausstanzung in der Metallplatte 11 an gebracht ist. Die Form 10 ist dabei zweiteilig, damit das verformte Metallstück 11 der Form 10 entnommen werden kann.
Zum Einziehen einer Partie eines Metallrohres 11 wird gemäss Fig. 4 ebenfalls eine aus zwei gegeneinan- dergerichteten Formteilen 13 und 14 bestehende Form verwendet, und der Wasserstrahl 9 wird in radialer Richtung auf den Umfang der einzuziehenden Rohr partie gerichtet.
Die in Fig. 5 dargestellte Form 10 ist zum Aus stanzen von Löchern 15 mit komplizierten Konturen und/oder grossen Querschnittsflächen geeignet. Zur Ver hinderung unerwünschter Deformationen der zu stan zenden Metallplatte 11 wird diese von einer Anpress- platte 16 gegen die Form 10 gepresst.
Durch Verwendung geeigneter Formen, die ent sprechende Stützteile aufweisen, ist es ferner mit dem beschriebenen Verfahren möglich, ursprünglich ebene Metallplatten entsprechend Fig. 6 zu verformen und mit ausgestanzten Löchern 19 zu versehen, die senkrecht zu den Oberflächen der ebenen Partien 17 bzw. ge krümmten Partien 18 des verformten Metallstückes verlaufen.
Beim normalen Tiefziehen mittels einer Tiefzieh- presse wird die zu verformende Metallplatte mittels einer Anpressvorrichtung auf dem Untergesenk angepresst. Beim vorliegenden Verfahren ist eine solche Anpress- vorrichtung unnötig. Daraus ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung der Einrichtung.
Die Funktion des An pressens wird gemäss Fig.7 vom Wasserstrahl über nommen, der die mit 1i und 1z bezeichneten Partien des Metallstückes 11 gegen die Form 10 presst. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, dass die Fläche L der Metallplatte, welche vom Wasserstrahl getroffen wird, grösser ist als die orthogonal projizierte Fläche 1 der formgebenden Partie der Form 10. Es ist infolgedessen möglich, Material zu sparen, da die Metallplatte keine zusätzliche Randpartie aufweisen muss, welche von einer Anpressvorrichtung zu halten ist.
Vor dem oben beschriebenen Verformen wird das zu verformende Materialstück zur Erniedrigung der Streckgrenze vorzugsweise durch Erwärmen in Rotglut versetzt. Das Materialstück kann dann leichter verarbei tet werden, und es ist möglich, dicke Materialstücke und solche, die infolge einer komplizieren Gestalt der Form im kalten Zustand schwierig zu verarbeiten sind, nach dem beschriebenen Verfahren zu verformen.
Da der Verformungsvorgang unter Verwendung des Was serstrahles in einigen Mikrosekunden beendigt ist, wird das erhitzte Materialstück nur wenig abgekühlt und der Verformungsvorgang braucht einen geringeren Kraftaufwand. Falls Stahl verarbeitet wird, so kann durch Wahl eines solchen mit genügend hohem Kohlen stoffgehalt durch sofortiges Abschrecken des Stahlstük- kes in Wasser unmittelbar im Anschluss an den Ver- formungsvorgang ein Härungseffekt erreicht werden.
Falls dies unerwünscht oder unnötig ist, wird vorteilhaft ein Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt verwendet. Schliesslich ist es möglich,' durch Wahl eines Abschreck- öles als Strahlflüssigkeit, den Härtungsvorgang und die Verarbeitbarkeit des Materials zu beeinflussen.
Die in den Fig. 8 und 10 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrich tung weisen ebenfalls eine Druckkammer 1, eine einen Teil der letzteren bildende zylindrische Partie 2, einen Kolben 3 und einen Dichtungsring 4 auf. Der Pfeil F deutet die schlagartig auf den Kolben 3 wirkende Kraft an. Gemäss Fig. 8 weist die Druckkammer 1 einen mit Wasser gefüllten Kanal 20 zur übertragung der Druck welle auf, der in einer als Strahldüse ausgebildeten Öff nung A endet.
An Stelle der Druckkammer 1 nach Fig. 8, die nur eine Öffnung A aufweist, kann auch eine Druckkammer 1 mit mehreren Öffnungen A ge mäss Fig. 10 verwendet werden. Die Kanäle 20 zur übertragung der Druckwellen weisen einen von den Kammerseiten B kontinuierlich gegen die Öffnungen A abnehmenden Querschnitt auf. Dabei kann der Quer schnitt der sich gegen die Öffnungen A verjüngenden Kanäle 20 kreisförmig sein oder die Gestalt eines Poly gons aufweisen.
Die sich gemäss Fig. 8 an die Druckkammer 1 an schliessende Form 21 dient zum Ausbauchen eines Me- tallrohrstückes 22, das in einer entsprechenden Aus- nehmung gehalten wird. An den beiden Endpartien des Metallrohrstückes 22 liegt zum Verhindern des Wasser austrittes je ein Dichtungsring 23 an. Ferner weist die Form 21 Luftaustrittslöcher 24 auf, durch welche die beim Verformungsvorgang im Innern der Form 21 ver drängte Luft in die Atmosphäre entweichen kann.
Zu sätzlich ist ein mit einer Schraube 25 verschliessbarer Entlüftungskanal vorhanden, durch welchen man vor dem Verformungsvorgang sich im Wasser befindende Luftblasen entweichen lässt. Vom schlagartig sich bewegenden Kolben 3 ausge hende Druckwellen breiten sich im Kanal 20 von B nach A mit einer Geschwindigkeit aus, deren Grösse von der Dichte und den elastischen Eigenschaften der Flüssig keit (adiabatische Kompressibilität) abhängt, in Wasser beispielsweise mit rund 1500 m/s. Für die folgende Betrachtung wird angenommen, dass sich die Druck wellen ohne Energieverlust von B nach A im Kanal 20 ausbreiten.
Bezeichnet man mit E$ bzw. E,1 die pro Zeiteinheit von den Druckwellen durch die Querschnitte B bzw. A transportierten Energien, so gilt EB = J$ SB und E,), <B>=</B> JA S.\, wobei J die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit durch den Querschnitt S des Kanals 20 transportierte Energie ist.
Der Maximalwert d P..., des von einer Druckwelle herrührenden Druckanstieges in der Flüssigkeit ist ge geben durch
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wobei o die Dichte der Flüssigkeit und C die Schall geschwindigkeit in der Flüssigkeit bedeuten.
Da angenommen wird, dass die Energie einer Druck welle verlustlos von B nach A übertragen wird, ist EB = EA und damit JBSB = J ASA oder J @/JB = SB/S,1, womit
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wird. Das Verhältnis der Amplituden der Druckwellen an zwei Orten des Kanals 20 mit verschieden grossen Querschnittsflächen ist somit umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der Querschnitts flächen.
Der dynamische hydraulische Druck nimmt mit abnehmendem Querschnitt des Kanals 20 zu, so dass eine mit genügend grossem Anfangsdruck erzeugte Druckwelle das Metallrohrstück 22 entsprechend der Gestalt der Ausnehmung der Form 21 verformen kann. Die dabei zwischen dem Metallrohrstück 22 und der Form 21 komprimierte Luft kann durch die Luftaus trittslöcher 24 entweichen, so dass der Verformungsvor- gang nicht beeinflusst wird.
In Fig. 9 ist das sich noch in der Form 21 befindende Metallrohr 22 im verformten Zustand dargestellt. Zum Herausnehmen des verformten Metallrohres 22 ist die mindestens zweiteilig ausgeführte Form 21 zu zerlegen.
Eine entsprechend Fig. 8 aufgebaute Druckkammer 1 mit einem sich gegen die Öffnung A verjüngenden Kanal 2 erlaubt die Erzeugung von Druckwellen mit dem gewünschten hohen Druck sowie einen zweck mässigen Bau der Einrichtung, da die Wandstärken der Druckkammer in Richtung gegen die Öffnung A ent sprechend dem zunehmenden Druck ebenfalls zuneh men. Im erwähnten Ausführungsbeispiel (Fig. 8) nimmt die Querschnittsfläche von B nach A ab. Je nach Be darf kann der Verlauf aber auch umgekehrt sein.
Die in Fig. 11 dargestellte Druckkammer 1 weist einen Kanal 26 zur Übertragung von Druckwellen und eine daran anschliessende Ausnehmung 27 auf, deren Gestalt dem bereits im verformten Zustand eingezeich neten Metallstück 29 entspricht. Ein Luftaustrittsloch 28 und ein Dichtungsring 30 sind entsprechend der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung angebracht. Im Kanal 26 ist mittels geeigneter Stützelemente ein in den For- menraum 27 hineinragendes festes Medium 31 angeord net, in welchem sich Druckwellen fortpflanzen können.
Die in Fig. 12 dargestellte Druckkammer 1 weist einen Einlass 32, einen Auslass 33, einen gegen den Auslass 33 konvergierenden Kanal 34 und ein festes Medium 35 auf, welch letzteres mittels Stützelementen 36 im Kanal 34 abgestützt ist. Im festen Medium, das beispielsweise auch in einem gegen den Auslass 33 diver gierenden Kanal angeordnet sein könnte, können sich einfallende Druckwellen ebenfalls fortpflanzen. Die Wel lenformen, welche an verschiedenen Stellen der Ein richtung nach Fig. 12 im Übertragungsweg der sich fortpflanzenden Druckwellen feststellbar sind, sind in Fig. 13 dargestellt.
Es ist leicht verständlich, dass sich Wellenform und -Amplitude der Druckwellen im Laufe des Fortpflanzungsvorganges verändern.
Im folgenden werden die Vorteile beschrieben, welche sich aus der Anordnung eines festen Mediums im Kanal zur Übertragung der Druckwellen ergeben. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit C einer Druckwelle in einem Medium ist durch
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gegeben, wobei E den Elastizitätsmodul bzw. den Rezi- prokwert der adiabatischen Kompressibilität und o die Dichte des Mediums bedeuten. Bei Wasser beträgt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit etwa 1500 m/s und in gewissen Kunststoffen etwa 1600 m/s.
Ferner treten Reflexionserscheinungen auf, die im wesentlichen darin bestehen, dass sich Druckwellen, die von einem Medium her eine Grenzfläche erreichen, die das Medium von einem anderen trennt, von dieser Grenzfläche zum Teil ins andere Medium durchgelassen und zum Teil reflek tiert werden.
Wird bei der Einrichtung nach Fig. 12 als Material für das im Kanal 34 angeordnete feste Me dium 35 beispielsweise Stahl gewählt, und ist der übrige Teil des Kanals 34 mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt, so pflanzt sich ein Teil einer in den Kanal 34 einfallenden Druckwelle durch den Stahl des festen Mediums 35 fort, und ein anderer Teil breitet sich mit geringerer Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Wasser aus. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Druckwelle in Stahl etwa 5000 m/s beträgt und in Wasser etwa 1500 m/s, breitet sich die Druckwelle im Wasser etwa dreimal langsamer aus als in Stahl.
Durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Dimensionen der beiden Medien ist es daher möglich, eine einfallende Druckwelle in deren zwei aufzuspalten, von denen sich die eine im Stahl fortpflanzt und die andere, später am Auslass 33 erscheinende, im Wasser. Durch die Wahl der Dimensionen der beiden Medien ist auch das Ver hältnis der Amplituden der beiden Druckwellen einstell bar. Auf diese Weise lässt sich eine präzisere Arbeits weise erzielen, da die erste auf das zu verformende Metallstück auftreffende Druckwelle dieses zuerst in seine Rohgestalt bringt und die zweite, stärkere Druck welle das Metallstück in seine endgültige Gestalt bringt.
Der Verformungsvorgang ist somit auf verschiedene Arten beeinflussbar und den jeweiligen Erfordernissen anpassbar.
Method and device for deforming a metal piece The present invention relates to a method for deforming a metal piece using a mold provided with a recess.
A known method for deforming, in particular special bulging of a metal pipe, which is characterized by the application of a high hydraulic pressure, hydraulic bulging is called ge. As a result of the high static hydraulic pressure that occurs in this known method, the facilities required to carry it out must be able to cope with very high stresses and therefore be built correspondingly large and complex. Despite the great effort, the efficiency of such devices working with static pressure is generally low.
In addition, the construction of the tight hydraulic pressure chambers required in these facilities is connected to the use of complicated sealing devices that prevent the high-pressure working fluid from escaping.
The inventive method avoids these disadvantages in that the metal piece to be deformed is brought in front of the recess of the mold and that a liquid is directed against the metal piece under dynamic pressure to deform the metal piece according to the shape of the recess of the mold.
It can be useful to generate one or more sudden pressure waves in the liquid during a deformation process, which act on the metal piece and which are used for embossing, deep drawing, punching, bending or the like.
In these deformation processes, it may be advantageous to first heat the metal piece to be deformed to improve the deformability, so that even metal pieces that have poor cold deformability due to great thicknesses or complicated shape can be deformed without difficulty.
The invention also relates to a device for carrying out the method, which is characterized by walls which surround a pressure chamber containing liquid, by a piston which is slidably arranged in said walls and extends into the pressure chamber and which has a portion of which can be exposed to a sudden onset of force to generate an abrupt piston movement and an associated sudden increase in pressure in the liquid of the pressure chamber.
In the device according to the invention, the dynamic pressure of the liquid is thus used. In a preferred embodiment of the device, this can be done by directing a jet of liquid against the Meiallstück to be formed, in which suddenly generated pressure waves propagate and act on the metal piece, so that none of the above-mentioned sealed pressure chambers is required, but with an open pressure chamber can be worked, which means a significant simplification of the facility.
It can also be advantageous to generate the effective pressure for deforming the metal piece in the desired size by giving the channel through which pressure waves are transmitted from the pressure chamber to the metal piece to be deformed a suitable shape and its effect can consist in an increase or decrease in hydraulic pressure.
Finally, it can be advantageous to place a further medium in the channel for the transmission of the pressure waves, through which at least a portion of a pressure wave generated in each case is propagated and where, by suitable choice and arrangement of the mentioned further medium, waveform, size of the pressure and position and temporal sequence of the pressure waves acting on the metal piece can be changed over a wide range. Further details of the subject matter of the invention can be found in the following description, in which examples for practicing the method and exemplary embodiments of the device are described with reference to the accompanying drawings.
1 shows a longitudinal section through a first exemplary embodiment of a device, FIGS. 2 to 7 different shapes and metal pieces formed therewith as well as arrangements for forming, FIG. 8 shows a longitudinal section of a second exemplary embodiment of a device, FIG. 9 shows a Part of the second exemplary embodiment according to FIG. 8, shown at the time after a piece of metal has been formed, FIG. 10 shows a longitudinal section through a third exemplary embodiment of the device, FIG. 11 shows a longitudinal section through a fourth exemplary embodiment of the device,
FIG. 12 shows a longitudinal section through that part of the fourth exemplary embodiment which has the channel for transmitting the pressure waves, and FIG. 13 shows several waves occurring at different points in the channel for transmitting the pressure waves.
The first embodiment shown in Fig. 1 has a hydraulic pressure chamber 1 with a Lich outwardly directed cylindrical portion 2 in which a piston 3 is angeord net in a sliding guide.
For the liquid-tight sealing of the gap between the cylindrical part 2 and the piston 3, a sealing ring 4 is inserted in a groove in the cylindrical part 2. The piston 3 is pulled out of the pressure chamber 1 so far that its outer end can be acted upon by a suddenly acting force F, which comes from a suitable means, for example a jackhammer, and that the piston 3 moves into the pressure chamber 1 can, whereby the liquid located therein, in the following it is assumed that it is water, is compressed.
On the side opposite the piston 3, the pressure chamber 1 has a feed hole 6, to wel cher a water source, not shown in the drawing, with constant feed pressure, for example a feed line from the water supply network, with the interposition of a check valve 5 to the pressure chamber 1 is connected . The direction of flow of the water is restricted to the direction of flow to the pressure chamber 1 by the check valve 5.
The described device for deforming with means of a water jet works as follows: The pressure chamber 1 is filled with water via the feed bore 6 and the check valve 5, which is kept open by the pressure of the supplied water. When the pressure chamber 1 is completely filled, the water flows out of the jet nozzle 7. If the piston 3 is then suddenly driven into the pressure chamber 1 by a force F suddenly acting on it, the pressure of the water in the latter rises abruptly to a very high value, for example within a few hundred microseconds to a few hundred kg / cm'- ', and the water shoots out of the jet nozzle 7 as a powerful jet.
The force of the water acting in a directed manner through the jet nozzle 7 is used to deform pieces of metal. The energy supplied to the water via the piston by the suddenly acting force F propagates in the water in the form of a pressure wave with a high pressure amplitude and results in the mean value of the water pressure increasing within a very short time. It applies here that the product of the amount of water that shoots out of the jet nozzle 7 and its pressure is approximately proportional to the energy supplied to the water. Furthermore, according to Bernoulli's law, the speed of the jet emerging from the jet nozzle 7 is approximately proportional to the square root of the water pressure.
If the jet of water hits an object, with a certain amount of water hitting the object at a certain speed, the force exerted by the jet on the object is proportional to the product of the amount of water hitting the object and its speed. As a result, the hit object is then deformed and changed in shape by the force when it is stressed above its yield point.
In the first embodiment (Fig.l) the jet nozzle 7 is arranged opposite a mold 10 having a recess, which is designed, for example, corresponding to a lower die required for deep drawing or punching. In front of the recess d r form 10 a metal plate is placed, which is drawn through the water jet 9 according to the shape of the recess, provided with punchings or bent. In Fig. 1, the metal plate 11 is shown in the already deformed state. To deform the metal plate 11, one or more pressure waves are generated in practice by means of the piston 3 during a deformation process.
With the form 10 shown in Fig. 2, a metal plate 11 can be deep-drawn and punched off at the same time. For this purpose, the mold 10 has openings 12 through which the punched slugs can exit.
FIG. 3 also shows a mold 10 with an undercut part in which an opening 12 for producing a punched-out in the metal plate 11 is made. The mold 10 is in two parts so that the deformed metal piece 11 can be removed from the mold 10.
To pull in a portion of a metal pipe 11, according to FIG. 4, a mold consisting of two opposing molded parts 13 and 14 is also used, and the water jet 9 is directed in the radial direction onto the circumference of the pipe portion to be pulled in.
The form 10 shown in Fig. 5 is suitable for punching holes 15 with complicated contours and / or large cross-sectional areas. To prevent undesired deformations of the metal plate 11 to be punched, it is pressed against the mold 10 by a pressure plate 16.
By using suitable shapes that have corresponding support parts, it is also possible with the method described to deform originally flat metal plates according to FIG. 6 and to provide them with punched holes 19 which are perpendicular to the surfaces of the flat portions 17 or ge curved Parts 18 of the deformed metal piece run.
In normal deep drawing using a deep drawing press, the metal plate to be deformed is pressed onto the lower die using a pressing device. In the present method, such a pressing device is unnecessary. This results in a significant simplification of the facility.
The function of pressing on is taken over by the water jet according to FIG. 7, which presses the parts of the metal piece 11 labeled 1i and 1z against the mold 10. For this purpose it is only necessary that the area L of the metal plate, which is hit by the water jet, is larger than the orthogonally projected area 1 of the shaping part of the mold 10. It is consequently possible to save material, since the metal plate does not have any additional Must have edge portion which is to be held by a pressing device.
Before the deforming described above, the piece of material to be deformed is preferably red-hot by heating to lower the yield point. The piece of material can then be processed more easily, and it is possible to deform thick pieces of material and those which are difficult to process due to a complicated shape of the mold in the cold state by the method described.
Since the deformation process using the water jet is ended in a few microseconds, the heated piece of material is only slightly cooled and the deformation process requires less effort. If steel is processed, a hardening effect can be achieved by choosing one with a sufficiently high carbon content by immediately quenching the steel piece in water immediately after the deformation process.
If this is undesirable or unnecessary, a steel with a low carbon content is advantageously used. Finally, it is possible to influence the hardening process and the processability of the material by choosing a quenching oil as the jet fluid.
The further exemplary embodiments of the device according to the invention shown in FIGS. 8 and 10 also have a pressure chamber 1, a cylindrical part 2 forming part of the latter, a piston 3 and a sealing ring 4. The arrow F indicates the force acting suddenly on the piston 3. According to FIG. 8, the pressure chamber 1 has a water-filled channel 20 for transmitting the pressure wave, which ends in an opening A designed as a jet nozzle.
Instead of the pressure chamber 1 according to FIG. 8, which has only one opening A, a pressure chamber 1 with several openings A according to FIG. 10 can also be used. The channels 20 for transmitting the pressure waves have a cross-section that decreases continuously from the chamber sides B towards the openings A. The cross section of the channels 20 tapering towards the openings A can be circular or have the shape of a polygon.
The mold 21, which is connected to the pressure chamber 1 according to FIG. 8, serves to bulge out a metal tube piece 22 which is held in a corresponding recess. A sealing ring 23 rests on each of the two end sections of the metal pipe section 22 to prevent water from escaping. Furthermore, the mold 21 has air outlet holes 24 through which the air displaced in the interior of the mold 21 during the deformation process can escape into the atmosphere.
In addition, there is a vent channel that can be closed with a screw 25, through which air bubbles in the water can escape before the deformation process. From the suddenly moving piston 3 outgoing pressure waves propagate in channel 20 from B to A at a speed whose size depends on the density and the elastic properties of the liquid (adiabatic compressibility), in water for example at around 1500 m / s . For the following consideration it is assumed that the pressure waves propagate from B to A in duct 20 without loss of energy.
If E $ or E, 1 denotes the energies transported per unit of time by the pressure waves through the cross-sections B and A, then EB = J $ SB and E,), <B> = </B> JA S. \ , where J is the energy transported through the cross-section S of the channel 20 per unit time and per unit area.
The maximum value d P ..., of the pressure increase in the liquid caused by a pressure wave is given by
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where o is the density of the liquid and C is the speed of sound in the liquid.
Since it is assumed that the energy of a pressure wave is transferred from B to A without loss, EB = EA and thus JBSB = J ASA or J @ / JB = SB / S, 1, which means
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becomes. The ratio of the amplitudes of the pressure waves at two locations of the channel 20 with cross-sectional areas of different sizes is thus inversely proportional to the square root of the ratio of the cross-sectional areas.
The dynamic hydraulic pressure increases as the cross section of the channel 20 decreases, so that a pressure wave generated with a sufficiently high initial pressure can deform the metal pipe section 22 in accordance with the shape of the recess in the mold 21. The air compressed between the metal pipe section 22 and the mold 21 can escape through the air outlet holes 24 so that the deformation process is not influenced.
In FIG. 9, the metal tube 22 still in the mold 21 is shown in the deformed state. To remove the deformed metal tube 22, the at least two-part mold 21 must be dismantled.
8 constructed pressure chamber 1 with a tapered towards the opening A channel 2 allows the generation of pressure waves with the desired high pressure and an appropriate construction of the device, as the wall thicknesses of the pressure chamber in the direction towards the opening A accordingly increasing pressure will also increase. In the exemplary embodiment mentioned (FIG. 8), the cross-sectional area decreases from B to A. Depending on requirements, the course can also be reversed.
The pressure chamber 1 shown in Fig. 11 has a channel 26 for the transmission of pressure waves and an adjoining recess 27, the shape of which corresponds to the metal piece 29 already drawn in in the deformed state. An air outlet hole 28 and a sealing ring 30 are attached according to the device shown in FIG. A solid medium 31, which projects into the mold space 27 and in which pressure waves can propagate, is arranged in the channel 26 by means of suitable support elements.
The pressure chamber 1 shown in FIG. 12 has an inlet 32, an outlet 33, a channel 34 converging towards the outlet 33 and a solid medium 35, the latter being supported in the channel 34 by means of support elements 36. In the solid medium, which could for example also be arranged in a channel diverging towards the outlet 33, incident pressure waves can also propagate. The wave forms which can be determined at various points in the device according to FIG. 12 in the transmission path of the propagating pressure waves are shown in FIG.
It is easy to understand that the wave form and amplitude of the pressure waves change in the course of the propagation process.
The following describes the advantages which result from the arrangement of a solid medium in the channel for the transmission of the pressure waves. The speed of propagation C of a pressure wave in a medium is through
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given, where E is the modulus of elasticity or the reciprocal value of the adiabatic compressibility and o is the density of the medium. In the case of water, the speed of propagation is around 1500 m / s and in certain plastics around 1600 m / s.
Furthermore, reflection phenomena occur, which essentially consist in the fact that pressure waves that reach an interface from one medium that separates the medium from another, are partially transmitted from this interface into the other medium and are partially reflected.
If, in the device according to FIG. 12, steel is selected as the material for the solid medium 35 arranged in the channel 34, for example, and the remaining part of the channel 34 is filled with a liquid, for example water, part of a plant is planted in the channel 34 incident pressure wave propagates through the steel of the solid medium 35, and another part propagates at a slower speed in the water. Since the propagation speed of a pressure wave in steel is about 5000 m / s and in water about 1500 m / s, the pressure wave propagates about three times more slowly in water than in steel.
By suitably choosing the ratio of the dimensions of the two media, it is therefore possible to split an incident pressure wave into two, one of which propagates in the steel and the other, which appears later at outlet 33, in the water. By choosing the dimensions of the two media, the ratio of the amplitudes of the two pressure waves can also be adjusted. In this way, a more precise way of working can be achieved, since the first pressure wave impinging on the piece of metal to be deformed first brings it into its raw shape and the second, stronger pressure wave brings the piece of metal into its final shape.
The deformation process can thus be influenced in various ways and adapted to the respective requirements.