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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum partiellen Aufweiten
eines Hohlprofils gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum partiellen Aufweiten eines
Hohlprofils gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 12.
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Aus
der
DE 199 57 508
C1 ist eine Vorrichtung zum Fügen von mit einer Durchgangsöffnung versehenen
Fügeteilen
auf Hohlprofile durch partielle Aufweitung der Hohlprofile an der
Stelle der mit der Durchgangsöffnung
aufgeschobenen Fügeteile
mittels fluidischem Innenhochdruck bekannt. Die Vorrichtung umfasst
eine Aufweitlanze, die in das Hohlprofil einschiebbar ist und eine
Axialbohrung zur Führung
des Druckfluids aufweist, welche zum einen mit einer Fluidhochdruckerzeugungsanlage
verbunden ist und zum anderen einen Querkanal mit einem Austritt
für das
Fluid zur aufzuweitenden Stelle des Hohlprofils hin besitzt. Die
Aufweitlanze ist dabei aus zwei gesonderten miteinander fluchtenden
Bauteilen gebildet, von denen zumindest eines die Axialbohrung trägt. Zusätzlich ist
eine Antriebseinrichtung vorgesehen, mit der die Bauteile der Aufweitlanze
in das jeweils zugewandte Hohlprofilende hineinfahrbar und während der
Aufweitphase endseitig abgestützt
sind. Durch einen aufgebrachten Innenhochdruck wird ein im wesentlichen
zwischen den beiden Bauteilen der Aufweitlanze liegender Bereich
radial nach außen geweitet
und erzeugt dadurch einen Presssitz mit dem an dieser Stelle von
außen
anliegenden Fügeteil.
Der Innenhochdruck wird dabei von einem Hydraulikzylinder erzeugt.
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Aus
der
DE 37 04 092 C1 sind
eine Hohlwelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Die
Hohlwelle weist drehmomentübertragende
Konstruktionselemente, wie beispielsweise Zahnräder, auf, wobei unter den Konstruktionselementen
die Hohlwelle derart aufgeweitet ist, dass sich ein kraft- oder
formschlüssiger
Verbund ergibt. Das Verfahren zur Herstellung der Hohlwelle zeichnet
sich durch folgende Schritte aus: Einlegen der Konstruktionselemente
und eines durch die Innenöffnung
der Konstruktionselemente angeordneten Rohrs in eine Form; Schließen der
Form; Schließen
der Rohrstirnseiten; Aufbringen eines zur Verformung des Rohrmaterials
ausreichenden Druckes im Inneren des Rohres unter gleichzeitiger
Aufbringung von Kräften in
Richtung der Rohrachse zur Materialnachführung, wobei eine radiale Ausdehnung
und Materialanhäufung
der Rohrwand unter den Konstruktionselementen auftritt; Öffnen der
Form. Das Verformen der Hohlwelle geschieht hierbei mit dem bekannten
Innenhochdruckumformverfahren.
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Aus
der
DE 199 32 810
C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle
sowie eine danach hergestellte Nockenwelle bekannt. Auch bei diesem
Verfahren wird zur drehfesten Verbindung eines mit einer Öffnung versehenen
und in einem getrennten Verfahren hergestellten Tragrings mit der Nockenwelle,
der Tragring zunächst
an der Stelle der späteren
Verbindung exakt positioniert. Danach wird die Nockenwelle mittels
Innenhochdruck-Umformverfahren in Bereichen des Rohres, in dem die
Nocken funktionsbedingt ihren Sitz haben, der Form der Nocken entsprechend
aufgeweitet und somit eine drehfeste Verbindung zwischen Nockenwelle
und Tragring geschaffen. Abschließend werden die Tragringe in
einem letzten Verfahrensschritt auf das Endmaß geschliffen.
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Aus
der
DE 199 09 184
C2 und der
DE
199 07 258 C1 sind weitere Verfahren zur Herstellung einer
Nockenwelle mit drehfest daran angeordneten Tragringen durch Innenhochdruckumformen
bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Vorrichtung eingangs erwähnter
Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, welche einfach aufgebaut ist und damit wartungsarm betrieben
werden kann.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstände
der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Vorrichtung
zu schaffen, welche ein partielles Aufweiten eines Hohlprofils mit
einer Aufweitlanze erlaubt, die aus zwei gesonderten miteinander
fluchtenden Bauteilen gebildet ist und ein zwischen den beiden Bauteilen
angeordnetes Deformationselement aufweist, welches sich unter axial
auf die beiden Bauteile wirkendem Druck radial nach außen verformt.
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Herkömmliche
Vorrichtungen zum partiellen Aufweiten eines Hohlprofiles können wie
vorstehend erläutert
nach dem Innenhochdruck-Umformverfahren arbeiten. Hierbei wird ein
Druckfluid in den aufzuweitenden Hohlkörper eingeleitet und gespannt,
woraufhin sich dieser auf weitet und an die Matrize oder an das
zu fügende
Bauteil formentsprechend anlegt. Insbesondere die druckbeaufschlagten
Teile unterliegen dabei einem hohen Verschleiß. Zusätzlich ist es oftmals schwierig
und mit hohem Aufwand verbunden, die Vorrichtung während des
Fügevorgangs bzw.
des Aufweitvorgangs so abzudichten, dass keine Leckageverluste auftreten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Aufweitlanze auf, die in das Hohlprofil hineinschiebbar
ist aus zwei gesonderten miteinander fluchtenden Bauteilen gebildet
ist. Darüber
hinaus ist eine Antriebs-/Druckeinrichtung vorgesehen, mit welcher
die beiden Bauteile der Aufweitlanze in das jeweils zugewandte Ende
des Hohlprofils hineinverfahrbar und während des Aufweitvorgangs endseitig abgestützt sind.
Durch einen ü ber
die Antriebs-/Druckeinrichtung aufgebrachten Axialdruck auf die
beiden Bauteile, wird ein zwischen diesen beiden angeordnetes Deformationselement
axial nach außen
verformt und damit das Hohlprofil aufgeweitet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung benötigt dazu
eine einfache hydraulische Presse und kann auf aufwändige Druckerzeuger
für ein
Hochdruckmedium zum Innenhochdruckumformen verzichten. Gleichzeitig
treten aufgrund des nicht vorhandenen Druckmediums keine Leckageverluste
oder Dichtungsplatzer auf, wodurch die Vorrichtung deutlich robuster
und unempfindlicher wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung sind
die Bauteile der Aufweitlanze als Hohlkörper ausgebildet. Dies bewirkt
eine besonders leichte Ausführung
der Aufweitlanze, wobei zusätzlich
zumindest eine Sonde vorgesehen ist, welche in die Aufweitlanze
und/oder das Deformationselement einschiebbar ist und diese (s) während des
Aufweitvorgangs nach innen abstützt. Da
die Aufweitlanze während
des Fertigungsvorganges häufig
verstellt werden muss, kann durch die hohle und damit gewichtsreduzierte
Ausführung
der Aufweitlanze Energie eingespart werden, so dass Fertigungskosten
reduziert werden können.
Die Sonde hat zusätzlich
die Aufgaben, zum einen als Trägerelement
für die
Aufweitlanze und das Deformationselement zu dienen, was zu einer
besonders einfachen Handhabbarkeit der Vorrichtung führt, und
zum anderen die radiale Relativposition zwischen dem Deformationselement
und den Bauteilen der Aufweitlanze zu fixieren, so dass im Betrieb
der Vorrichtung keine lateralen Versätze der Bauteile und/oder des Deformationselementes
entstehen.
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Zweckmäßigerweise
kann das Deformationselement aus einer elastischen Komponente und zwei
oder vier härteren
Stützkomponenten
gebildet sein. Die härteren
Stützkomponenten
können
dabei gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ringförmig
ausgebildet sein und liegen an ein jeweils zugewandtes Ende des
zugehörigen
Bauteils der Aufweitlanze an. Die Stützkomponen ten sind – verglichen mit
der elastischen Komponente – gegenüber einer Druckbeanspruchung
axial unnachgiebig, jedoch radial elastisch. Beim Aufweitvorgang
verformt sich die zwischen den beiden härteren Stützkomponenten liegende elastische
Komponente allseitig, während
die Stützkomponenten
im wesentlichen axial formstabil bleiben. Die Stützkomponenten gewährleisten
dabei neben einer Abstützung
des Deformationselementes gleichzeitig eine optimale Krafteinleitung
von den beiden Bauteilen der Aufweitlanze in die elastische Komponente
des Deformationselementes.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist das Deformationselement aus Kunststoff,
insbesondere aus einem Elastomer ausgebildet. Kunststoffe lassen
sich heute mit nahezu beliebigen Eigenschaften kostengünstig und
einfach herstellen und reduzieren dadurch einerseits Fertigungskosten
und andererseits durch ihre robuste Materialeigenschaften eine Störempfindlichkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann die Antriebs-/Druckeinrichtung
zumindest einen Hydraulikzylinder aufweisen. Hydraulikzylinder sind
heutzutage als Krafterzeuger weit verbreitet und vielfältig anwendbar.
Gleichzeitig steht hier eine robuste und langjährig erprobte Technik zur Verfügung, welche die
Wartungsanfälligkeit
der Vorrichtung deutlich reduziert. Bei der so ausgestalteten Antriebs-/Druckeinrichtung
ist zudem ein geschlossener Hydraulikkreislauf vorhanden, so dass
Abdichtungsprobleme oder Dichtungsplatzer, wie sie bei herkömmlichen Aufweitvorrichtungen
auftreten können,
die nach dem Innenhochdruckumformprinzip arbeiten, vermieden werden
können.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Ausgangszustand,
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2 einen
Querschnitt wie in 1, jedoch während eines Aufweitvorgangs,
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3 eine
Darstellung wie in 1, jedoch mit einem anderen
Deformationselement,
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4 eine
Darstellung wie in 2, jedoch mit einem Deformationselement
wie in 3.
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Entsprechend
den 1 bis 4 weist eine Vorrichtung 1 zum
partiellen Aufweiten eines rohrförmigen
Hohlprofils 2 eine Aufweitlanze 3 auf, welche
in das Hohlprofil 2 hineinschiebbar ist und aus zwei gesonderten
miteinander fluchtenden Bauteilen 4 und 4' gebildet ist.
Ein Hineinschieben der Aufweitlanze 3 in das Hohlprofil 2 wird
dabei durch eine nicht dargestellte Antriebs-/Druckeinrichtung bewirkt,
welche zugleich zumindest eines der beiden Bauteile 4 und 4' der Aufweitlanze 3 an
einem jeweils zugewandten Hohlprofilende während des Aufweitvorgangs abstützt.
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Ein
Außenquerschnitt
der Aufweitlanze 3 ist dabei an einen Innenquerschnitt
des Hohlprofiles 2 derart angepasst, dass zwischen der
Außenseite
der Aufweitlanze 3 und der Innenseite des Hohlprofils 2 Spiel
ist. Dabei sind sowohl runde als auch eckige Querschnittsformen
vorstellbar. Zwischen den beiden Bauteilen 4 und 4' ist ein Deformationselement 5 angeordnet,
welches sich unter axial auf die beiden Bauteile 4 und 4' wirkendem Druck
radial nach außen elastisch
verformt (vgl. 2) und axial komprimiert wird.
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Im
Ausgangszustand gemäß 1 ragt
ein Außenquerschnitt
des Deformationselementes 5 nicht oder nur geringfügig über den
Außenquerschnitt
der Aufweitlanze 3 hinaus, so dass die beiden Bauteile 4 und 4' sowie das Deformationselement 5 fluchtend
zueinander angeordnet sind. Aufgrund der Abmaße der Außenquerschnitte kann die Aufweitlanze 3 nahezu
reibungsfrei in das Hohlprofil 2 eingeschoben werden, was
reibungsbedingte Schäden
am Deformationselement 5 vermeidet.
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Prinzipiell
kann vorgesehen sein, dass die Bauteile 4 und 4' der Aufweitlanze 3 entweder
als Hohlkörper
oder als Vollprofile ausgebildet sind. Bei als Hohlkörper ausgebildeter
Aufweitlanze 3 bzw. Deformationselement 5 kann
vorzugsweise zumindest eine Sonde 6 vorgesehen sein, welche
in die Aufweitlanze 3 und/oder das Deformationselement 5 einschiebbar
ist und dieses) während
des Aufweitvorgangs nach innen abstützt.
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Gemäß 1 ist
eine als Hohlkörper
ausgebildete Aufweitlanze 3 mit darin eingeschobener Sonde 6 gezeigt,
wobei die Sonde 6 hier ebenfalls als Hohlkörper ausgestattet
ist. Im Unterschied dazu zeigt 2 ebenfalls
eine als Hohlkörper
ausgebildete Aufweitlanze 3, wobei hier die darin eingeschobene
Sonde 6 als Vollprofil ausgebildet ist. Eine weitere, nicht
dargestellte Ausführungsvariante
der Aufweitlanze 3 kann beispielsweise durch zwei vollprofilige Bauteile 4 und 4' gebildet sein,
zwischen welchen stirnseitig das Deformationselement 5 angeordnet
ist und zwischen welchen im Ausgangs zustand ein stirnseitiger Abstand
besteht, welcher während
des Aufweitvorgangs geschlossen wird und dadurch eine innere Abstützung für das Deformationselement 5 bildet.
Denkbar sind auch weitere Varianten, bei welchen das Deformationselement 5 nicht
wie in 1 und 2 gezeigt ringförmig, sondern
scheibenförmig
ausgebildet ist. In diesem Fall handelt es sich auch bei dem Deformationselement 5 um
ein Vollprofil.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, das Deformationselement 5 mehrteilig,
beispielsweise aus einer oder mehreren elastischen Komponente(n) und
zwei oder vier benachbarten härteren
Stützkomponenten 11,
auszubilden. Beim Aufweitvorgang erfolgt dadurch eine optimale Kraftübertragung
von den Bauteilen 4 bzw. 4' auf die beiden randseitig an der Außenseite
des Deformationselementes 5 angeordneten Stützkomponenten 11,
welche auch unter Druck axial im wesentlichen formstabil bleiben.
Die härteren
Stützkomponenten 11 und
die zwischen diesen angeordnete elastische Komponente des Deformationselementes 5 sind
so ausgebildet, dass sie sich unter einem beim Aufweitvorgang herrschenden Druck
elastisch radial nach außen
verformen und dadurch das Hohlprofil 2 aufweiten.
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Zum
Aufbringen der für
den Aufweitvorgang nötigen
Kraft bzw. zum Verfahren der Aufweitlanze 3 in das Hohlprofil 2 und
aus diesem heraus, kann die Antriebs-/Druckeinrichtung zumindest
einen Hydraulikzylinder aufweisen bzw. als solcher ausgebildet sein.
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Neben
dem reinen Aufweiten des Hohlprofiles 2 kann die Vorrichtung 1 auch
zum Fügen
von mit einer Durchgangsöffnung
versehenen Fügeteilen 7 auf
dem Hohlprofil 2 verwendet werden. Hierbei wird durch partielle
Aufweitung des Hohlprofils 2 an der Stelle des mit dessen
Durchgangsöffnung 8 aufgeschobenen
Fügeteils 7 das
Fügeteil 7 durch
Verpressen mit dem Hohlprofil 2 gefügt. Durch den Aufweitvorgang
wird hierbei erreicht, dass das Hohlprofil 2 im Bereich
der Fügeteile 7 derart
stark radial nach außen
plastisch verformt wird, dass sich ein Presssitz und damit eine
dauerhafte und drehfeste Verbindung zwischen dem Hohlprofil 2 und
dem nach der Aufweitung elastisch zurückfedernden Fügeteil 7 ausbildet.
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Generell
kann das Hohlprofil 2 als Nockenwelle ausgebildet sein,
wobei die Fügeteile 7 dann Nocken
bilden und mittels der Vorrichtung 1 an einer vorab definierten
Position drehfest mit dem Hohlprofil 2 zusammengefügt werden.
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Um
beim Aufweitvorgang ein Kriechen des elastischen Teils des Deformationselementes 5 zwischen
die Sonde 6 und die Aufweitlanze 3 zu verhindern,
kann das Deformationselement 5, wie in den 3 und 4 gezeigt,
einen stirnseitig am Innenumfang freigegebenen Bereich 9 aufweisen,
der eine in Richtung der Sonde 6 angekeilte bzw. angespitzte Form
besitzt und in den eine dieser Form formnegativ entsprechende Stützkomponente,
beispielsweise ein Deltaring 10, eingefügt wird. Der Deltaring 10,
der vorzugsweise aus PEEK-Material oder Messing besteht, ist ebenfalls
härter
als die elastische Komponente des Deformationselementes 5 und
gegenüber einer
Druckbeanspruchung axial wie ggf. auch radial wesentlich unnachgiebiger
als die elastische Komponente. Der Deltaring 10 deckt einen
dem Deformationselement 5 zugewandten Spalt zwischen der
Aufweitlanze 3 und der Sonde 6 ab. Auf einer der
Sonde 6 abgewandten Seite des Deformationselementes 5 verhindern
die weiter oben beschriebenen Stützkomponenten 11,
welche vorzugsweise aus PEEK-Material bestehen und beispielsweise
als Stützringe
ausgebildet sind, das Kriechen des Deformationselementes 5 in
einen Spalt zwischen dem Hohlprofil 2 und der Aufweitlanze 3.
Da die Stützkomponenten 11 radial
elastisch ausgebildet sind, weiten sie sich mit zunehmender Aufweitung
auf und decken weiterhin den sich bei der Aufweitung stetig vergrößernden Spalt
ab. So kann die Fügequalität gesteigert
werden und zugleich der Verschleiß des Deformationselementes 5 reduziert
werden. Die genannten Stützkomponenten 11 stellen
dabei lediglich exemplarische Ausführungsformen dar, wobei auch
andere Ausführungsformen
von der Erfindung umschlossen sein sollen.
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Im
Folgenden soll kurz ein Verfahren zum partiellen Aufweiten von Hohlprofilen 2 und
zum Fügen
der Hohlprofile 2 mit aufgeschobenen Fügeteilen 7 beschrieben
werden:
Zunächst
wird in einem ersten Verfahrensschritt die Aufweitlanze 3,
welche aus zwei gesonderten miteinander fluchtenden Bauteilen 4 und 4' gebildet ist,
in das Hohlprofil 2 hineingeschoben. Ist das Deformationselement 5,
welches zwischen den beiden Bauteilen 4 und 4' angeordnet
ist, exakt positioniert, so wird axial auf die beiden Bauteile 4 und 4' eine Druckkraft ausgeübt, so dass
sich das Deformationselememt 5, welches gemäß 1 und 2 durch
die Sonde 6 nach innen abgestützt ist, radial nach außen verformt.
Die radiale Verformung bewirkt eine Aufweitung in Form einer plastischen
Verformung des Hohlprofiles 2.
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Als
Anwendungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann
beispielsweise das Fügen
von Fügeteilen 7,
beispielsweise von Nocken, auf Hohlprofilen 2, beispielsweise
Nockenwellen, angesehen werden. Hierbei wird durch das plastische
radiale und partielle Aufweiten des Hohlprofiles 2 an der
Stelle der mit der Durchgangsöffnung 8 aufgeschobenen
Fügeteile 7 eine
Verklemmung der beiden und damit eine drehfeste Verbindung der beiden
erreicht. Durch die Sonde 6 innerhalb der Aufweitlanze 3 wird
gewährleistet, dass
das Deformationselement 5 und insbesondere auch die Bauteile 4, 4' der Aufweitlanze 3 beim
Aufweitvorgang nach innen abgestützt
sind. Nach dem Fügevorgang
werden die beiden Bauteile 4 und 4' druckentlastet, wodurch sich das
Deformationslement 5 elastisch in seine Ausgangslage zurückverstellt
und somit die Aufweitlanze 3 problemlos aus dem Hohlprofil 2 entnommen
werden kann.
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Generell
ist denkbar, dass für
unterschiedliche Fügebreiten
unterschiedliche Deformationselemente 5 bzw. unterschiedliche
Fügeteile 7 vorgesehen
sind, wobei das Fügen
mehrerer Fügeteile 7 auf einem
einzigen Hohlprofil 2 nacheinander durchgeführt werden
kann und dadurch eine individuelle Anpassung jedes Fügeverbundes
an ein jeweils erforderliches Abreißdrehmoment erfolgen kann.
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Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt
charakterisieren:
Die Erfindung sieht vor, eine Aufweitlanze 3,
welche zum partiellen Aufweiten eines Hohlprofiles 2 ausgebildet
ist und welche aus zwei gesondert miteinander fluchtenden Bauteil 4 und 4' aufgebaut ist,
mit einem zwischen den beiden Bauteilen 4 und 4' angeordneten
Deformationselement 5 zu versehen, welches sich unter axial
auf die beiden Bauteile 4 und 4' wirkenden Druck radial und elastisch
nach außen
verformt.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird somit
das herkömmliche
Innenhochdruck-Umformverfahren vermieden und dadurch eine kostengünstige und
einfache Ersatzmöglichkeit
zum Aufweiten von Hohlprofilen 2 geschaffen. Die für die Vorrichtung 1 benötigte Anlagentechnik
kann beispielsweise durch eine hydraulische Presse gebildet sein
und ist dadurch konstruktiv deutlich einfacher als ein Druckerzeuger
für ein
Hochdruckmedium beim bekannten Innenhochdruck-Umformverfahren. Leckageverluste
von Dichtungen und Dichtungsptatzer, wie sie beispielsweise beim
Innenhochdruck-Umformverfahren auftreten können, werden durch die erfindungsgemäße Lösung weitgehend
eliminiert, wodurch diese deutlich robuster und wartungsärmer wird.