-
Die
Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung für Hohlkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Aufgrund
sehr komplexer Raumform- und Reibungsverhältnisse, die in der Detailbeschreibung ausführlich erläutert sind,
unterliegt dabei insbesondere der Spreizdorn des Systems hohen und
ungleichförmig
verteilten Belastungen, die eine an sich erwünschte hohe Standzeit der Vorrichtung
deutlich verkürzen.
-
Eine
gattungsgemässe
Expansionsvorrichtung in Zangenform ist seit 1970 durch die US-A
3 550 424 bekannt. Die Schrift befasst sich mit dem Problem, dass
in dem Handgerät
enorme innere Kräfte
auftreten und dass zu deren überwindung
ein Stufenantrieb für
die Handhebel eingesetzt werden soll, um die manuellen Kräfte zu verringern.
Damit werden aber nicht die systemimmanenten Kräfte und die Verschleissfolgen
verringert, die zum allergrössten
Teil durch die Reibungen Stahl-auf-Stahl bedingt sind. Seit etwa
der gleichen Zeit sind solche Geräte auch in grosser Stückzahl weltweit
auf den Markt gelangt.
-
Durch
die
DE 38 26 187 A1 ist
seit 1990 im Zuge der Weiterentwicklung solcher Expansionsvorrichtungen
ein gleichfalls gattungsgemässes
Aufweitewerkzeug mit einem Kniehebelantrieb und einem verstellbaren
Adapterring bekannt. Durch den Adapterring ist es zwar möglich, den
Einfluss axialer Toleranzfehler auszugleichen, auf den Kräfteverlauf
im Bereich zwischen dem Spreizdorn und den Spreizbacken und den
damit verbundenen Verschleiss hat dies jedoch keinen Einfluss und
eine verschleissmindernde Oberflächenbeschichtung
ist nicht offenbart.
-
Durch
das RÖMPP
CHEMIE LEXIKON, Georg Thieme Verlag Stuttgart NewYork, 1995, Band T-Z,
Seiten 4631/4632, Stichwort "Titannitrid", ist es bekannt,
dieses Material für
dünne Schichten
zu verwenden, und zwar als Hartstoff zum Schutz gegen Verschleiss
auf Feinmaschinenlagern, Wälzlagern, Schneidwerkzeugen
u. dgl. und zur Auskleidung von Reaktionsbehältern für flüssige Metalle und zur Beschichtung
von Uhrengehäusen
und Schmuckwaren. Für
die zuletzt genannten Fälle
dürfte
der Goldglanz der Beschichtung eine entscheidende Rolle spielen. Auf
die Anwendung bei den komplexen Kräfte- und Reibungsverhältnissen
zwischen den kritischen Teilen von Expansionsvorrichtungen wird
nicht eingegangen.
-
Durch
die
DE 103 43 869
B3 ist eine Standvorrichtung für eine Aufweitlanze unbestimmter
Länge für rohrförmige Hohlprofile
bekannt, wobei eine Hydraulikflüssigkeit,
ein sogenanntes Fluid, die Aufweitlanze expandiert. Diese ist senkrecht
in einer Spann- und Klemmvorichtung gehalten, die – vorzugsweise
einteilig – über einem
Druckverteilerblock mit einem Einführaufsatz angeordnet ist. Der
Einführaufsatz
besitzt eine Durchgangsbohrung, deren oberes Ende durch eine erste
Kegelfläche
erweitert ist, die eine Einfädelhilfe
bildet. Am unteren Ende der Aufweitlanze ist ein Doppelkegel mittels
einer überwurfmutter
gehalten, wobei das untere Kegelteil mit einer zweiten Kegelfläche zusammenwirkt,
der gleichfalls im Druckverteilerblock angeordnet ist, der somit
zwei hohle Kegelflächen
besitzt. Die gesamte Kombination von konvexen und konkaven Kegelflächen bildet
nichts weiter als eine flüssigkeitsdichte Hochdruckverbindung
innerhalb des stationären
Geräts.
Zur Schaffung einer hohen Druck- und Verschleissfestigkeit ist angegeben,
dass der Druckverteilerblock mit einer harten Oberflächenbeschichtung aus
beispielsweise Titannitrid versehen sein kann. Ein Übergang
von Flächenpressung
auf Kanten- oder Linienpressungen findet jedoch an den Berührungsflächen nicht
statt, auch sind die sich im Bereich der Titannitridbeschichtung
berührenden
Flächen nicht
am Expansionsvorgang beteilig, sondern bilden nur eine druckfeste
Abdichtung. Für
ein Handwerkzeug ist eine solche Vorrichtung weder vorgesehen, noch
geeignet.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsvorrichtung
der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die trotz der sehr
komplexen Raumform- und Reibungsverhältnisse, die in der Detailbeschreibung
ausführlich
erläutert sind,
die Standzeit bzw. Lebenserwartung der Expansionsvorrichtung und
insbesondere des Spreizdorns des Systems deutlich verlängert wird.
-
Die
Lösung
der gestellten Aufgabe erfolgt dabei erfindungsgemäss durch
die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
-
Dadurch
wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, insbesondere wird eine
Expansionsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art geschaffen,
durch die trotz der sehr komplexen Raumform- und Reibungsverhältnisse,
die in der Detailbeschreibung ausführlich erläutert sind, die Standzeit bzw.
Lebenserwartung der Expansionsvorrichtung und insbesondere des Spreizdorns
des Systems deutlich verlängert
wird.
-
Es
ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Erfindung besonders
vorteilhaft, wenn – entweder
einzeln, oder in Kombination –:
- * zumindest der auf die Spreizbacken einwirkende Teil
des Spreizdorns mit dem Belag aus dem Hartwerkstoff versehen ist,
- * der Hartwerkstoff aus Titannitrid (TiN) besteht,
- * die beschichtete Oberfläche
des Spreizdorns eine Kegelfläche
ist,
- * der Spreizdorn auswechselbar an einer Antriebsstange befestigt
ist, die in der Bohrung des Grundkörpers gelagert ist,
- * die inneren Oberflächen
der Spreizbacken als Sektoren einer Kegelfläche ausgeführt und gleichfalls mit dem
Hartwerkstoff beschichtet sind,
- * die äusseren
Oberflächen
der Spreizbacken als Sektoren einer Zylinderfläche ausgeführt und gleichfalls mit dem
Hartwerkstoff überzogen
sind, und/oder, wenn
- * der Belag durch ein Verfahren aus der Gruppe der physikalischen
(PVD), chemischen (CVD) und der physikalisch-chemischen (PCVD) Gasphasenabscheidung
hergestellt ist.
-
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes, deren Wirkungsweisen und weitere Vorteile werden
nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
teilweisen Axialschnitt und eine Explosionsdarstellung des antriebsseitigen
Endes eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Expanderzange,
-
2 einen
Ausschnitt aus 1 in vergrössertem Massstab und in vollständiger axialer
Schnittdarstellung,
-
3 einen
Axialschnitt durch ein mit der Vorrichtung nach 2 aufgeweitetes
bzw. expandiertes Rohrende und
-
4 einen
Schnitt analog 2, durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
jedoch mit einem gegenüber
einer gehäuseseitigen
Antriebsstange auswechselbaren beschichteten Spreizdorn.
-
In 1 ist
ein Grundkörper 1 gezeigt,
der ein Führungsgehäuse bildet
und an dem in einer radialen Ebene abstehend ein erster Handhebel 2 starr befestigt
ist. Die Teile 1 und 2 können auch einteilig ausgeführt sein.
Der Grundkörper 1 besitzt
angeformt zwei abstehende Gabelteile 3, von denen nur das
hintere gezeigt ist. Die Gabelteile 3 sind von einem Achsbolzen 4 durchsetzt,
dessen Achse die Systemachse A-A senkrecht schneidet. Auf dem Achsbolzen 4 ist
zwischen den Gabelteilen 3 ein zweiter Handhebel 5 schwenkbar
gelagert, der zwischen den Gabelteilen 3 eine eigene spaltförmige Ausnehmung 5a besitzt.
Zwischen den Handhebeln 2 und 5 ist ein Anschlag 6 angeordnet,
der aus einem Gewindestift 6a und einer überwurfmutter 6b mit
einer Rändelung 6c besteht.
Die Befestigung des Anschlags 6 kann wahlweise statt im
Handhebel 5 auch im Handhebel 2 oder im Grundkörper 1 erfolgen.
-
Die
Ausnehmung 5a ist ihrerseits von einem Achsbolzen 7 durchsetzt,
der bei Bewegung des Handhebels 5 um den Achsbolzen 4 schwenkbar
ist. Der Achsbolzen 7 trägt innerhalb der Ausnehmung 5a einen
Kniehebel 8, der über
einen weiteren, die Systemachse A-A senkrecht schneidenden, Achsbolzen 9 auf
einen Spreizdorn 10 einwirkt. Die Achsbolzen 4, 7 und 9 verlaufen
parallel zueinander. Der Spreizdorn 10 enthält drei
Abschnitte, nämlich
einen wiederum gabelförmigen
Abschnitt 10a, in dessen Schenkel der Achsbolzen 9 gelagert
ist, einen zylindrischen Abschnitt 10b und einen kegelförmigen Abschnitt 10c,
der die nachfolgend beschriebene Spreizbewegung verursacht. Der
Spreizdorn 10 ist in einer zur Systemachse A-A koaxialen
Bohrung 11 des Grundkörpers 1 geführt. Der
Kniehebel dient sowohl zum Expandieren als auch zum Zwangsrückzug des
Spreizdorns, dem die Spreizbacken in Querrichtung hierzu folgen.
-
Der
Grundkörper 1 trägt auf einem
eigenen Aussengewinde 1a (2) koaxial
zur Systemachse A-A einen Adapterring 12 mit einem Aussengewinde 12a und
einer Rändelung 12b.
Aus dem Grundkörper 1 bzw.
dem Adapter 12 ragt der kegelförmige Abschnitt 10c des
Spreizdorns 10 – unter
der Wirkung des Kniehebels 8 axial beweglich – hervor.
Der Anschlag 6 verhindert, dass die Achsbolzen 4, 7 und 9 in
eine gestreckte Lage gelangen können,
in der die Kräfte
bekanntlich gegen unendlich gehen.
-
Mit
dem Grundkörper 1 kann
auswechselbar ein Expansionskopf 13 verschraubt werden,
der eine überwurfkappe 14 und
einen Satz identischer sektorförmiger
Spreizbacken 15 besitzt, die in der überwurfkappe 14 radial
geführt
sind. Beispielhaft sind es sechs Spreizbacken 15, deren
Aussenflächen
in ihrer gespreizten Stellung eine Zylinderfläche mit einem Durchmesser "D" einnehmen, wobei zwischen den Spreizbacken
radiale Spalte 16 geöffnet
werden. Dieser Durchmesser "D" bestimmt den Innendurchmesser
eines aufgeweiteten bzw. expandierten Rohrendes 17a eines Rohres 17 (3).
Auf den Adapter 12 kann verzichtet werden, wenn es darum
geht, den Grundkörper
mit einem kleineren Expansionskopf 13 zu bestücken. Alsdann
wird der Expansionskopf 13 unmittelbar auf das Gewinde
des Grundkörpers 1 aufgeschraubt.
-
Die
Spreizbacken 15 haben innen sektorförmige Kegelflächen, die
nur in einer einzigen und ganz bestimmten Stellung zueinander in
einer gemeinsamen Kegelfläche
bzw. Hüllfläche liegen.
Der Grund liegt in den Herstellungsprozessen des Rohlings; z.B. spanabhebend
oder durch Präzisionsguss.
Der Rohling wird später
unter gewolltem Materialverlust diametral und achsparallel durchsägt, wodurch
die erwähnten
radialen Spalte 16 entstehen. Ferner unterliegen die Expansionsköpfe 13 und
die Tiefe des Aufschraubens auf den Grundkörper 1 Toleranzen.
-
Der
Spreizdorn 10 hat aber nur eine einzige Kegelfläche. Dies
führt beim
Expandieren dazu, dass auf der Oberfläche des Spreizdorns 10 Stellungen mit
Linien- und Kantenpressungen mit unendlichen Werten durchlaufen
werden müssen.
Ausserdem treten beim Expandieren des Rohres 17 zusätzlich Gleitbewegungen
auf, die unter wachsenden Kräften erfolgen,
weil sich der expandierte Werkstoff beim Fliessen materialbedingt
verfestigt. Dies hat einen entsprechend hohen Verschleiss am Spreizdorn 10 zur
Folge.
-
Wie
aus einer Zusammenschau der 2 und 3 hervorgeht,
sind hierbei die Kräfte-
und Reibungsverhältnisse
an den freien Enden des Spreizdorns 10 und der Spreizbacken
besonders kritisch. Dort treten die grössten Kräfte bei kleinsten Kontaktflächen oder
-linien auf. Hier addieren sich ausserdem diejenigen Verformungskräfte aus
dem übergangsbereich 17b zwischen
dem Rohr 17 und dem Rohrende 17a an einer Stelle,
die von der Spreizbacken nicht abgestützt wird.
-
Das
aber führt
dazu, dass der bekannte Spreizdorn häufiger ausgetauscht werden
muss, was bei einem einteiligen Spreizdorn 10 eine komplizierte Zerlegung
und Wiedermontage des Geräts
zur Folge hat.
-
Der
vorstehende Teil der Detailbeschreibung deckt sich mit dem Stande der
Technik. Hier setzt nun die Erfindung ein:
Der kegelförmige Abschnitt 10c des
Spreizdorns 10 ist auf seiner Oberfläche mit einem durch dicke Linien hervorgehobenen
Belag 18 aus einem Hartwerkstoff versehen, vorzugsweise
aus Titannitrid (TiN). Dadurch wird die Standzeit der Expansionsvorrichtung auf
ein Mehrfaches verlängert,
was insofern von besonderer Bedeutung ist, als eine Reparatur am
Einsatzort in der Regel nicht möglich
ist.
-
Die 2 zeigt
nun – unter
Fortschreibung der bisherigen Bezifferung weitere Einzelheiten des Geräts. So ist
gezeigt, dass die Beschichtung des Spreizdorns sich auch auf den
zylindrischen Abschnitt 10b des Spreizdorns 10 erstrecken
kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass auch dem verschleissenden
Einfluss der durch den Kniehebel 8 auf die Spreizdornführung ausgeübten Querkräfte entgegen gewirkt
werden kann. Weiterhin ist dargestellt, dass die Spreizbacken durch
Niete 19 in der Überwurfkappe
geführt
sind. Die Umsetzung der Axialbewegung des Spreizdorns 10 in
Radialbewegungen der Spreizbacken ist durch Pfeile angedeutet.
-
Die 3 zeigt,
wie bereits weiter oben angedeutet, einen Axialschnitt durch ein
mit der Vorrichtung nach 2 aufgeweitetes bzw. expandiertes Rohrende 17a.
in dieses Rohrende soll ein nicht aufgeweitetes Rohr 17 eingeschoben
und dort verlötet werden.
Bei der Durchmesservergrösserung
gleitet die Innenfläche
des Rohres 17 wegen der Vergrösserung des Umfangs auf den
Aussenflächen
der Spreizbacken 15. Es ist daher von zusätzlichem
Vorteil, auch diese Aussenflächen
und ggf. auch die Innenflächen
der Spreizbacken mit dem besagten Hartstoffbelag zu versehen.
-
Die 4 zeigt
einen Axialschnitt analog 2, jedoch
mit dem Unterschied, dass der Spreizdorn 20 aus einem entsprechend
verschleissfest beschichteten Kegelteil besteht, das mittels einer
Gewindeverbindung 21 in eine gehäuseseitige Antriebsstange 22 auswechselbar
eingeschraubt ist. In den Grundkörper 1 ist
noch mittels einer Gewindeverbindung 24 ein Übergangsstück 23 mit
einer zylindrischen Ausnehmung 23a einge schraubt, in die
das Ende des Spreizdorns 20 zurück gezogen werden kann. Diese
Ausführungsform
hat den zusätzlichen Vorteil,
dass bei einer entsprechenden Ausbildung der Antriebsstange 22 ein
nicht beschichteter Spreizdorn gegen einen erfindungsgemäss beschichteten Spreizdorn 20 ausgetauscht
werden kann, was auch eine nachträgliche Umrüstung ermöglicht.
-
Der
Spreizdorn 20 kann in analoger Weise wie bei den 1 und 2 durch
einen hier nicht gezeigten Kniehebel oder durch eine Kombination von
Ritzel und Zahnstange oder durch einen Nocken angetrieben werden.
Es ist jedoch auch möglich,
eine elektromechanische oder elektrohydraulische Antriebsvorrichtung
vorzusehen.
-
- 1
- Grundkörper
- 1a
- Aussengewinde
- 2
- Handhebel
- 3
- Gabelteile
- 4
- Achsbolzen
- 5
- Handhebel
- 5a
- Ausnehmung
- 6
- Anschlag
- 6a
- Gewindestift
- 6b
- überwurfmutter
- 6c
- Rändelung
- 7
- Achsbolzen
- 8
- Kniehebel
- 9
- Achsbolzen
- 10
- Spreizdorn
- 10a
- Abschnitt
- 10b
- Abschnitt
- 10c
- Abschnitt
- 11
- Bohrung
- 12
- Adapterring
- 12a
- Aussengewinde
- 12b
- Rändelung
- 13
- Expansionskopf
- 14
- überwurfkappe
- 15
- Spreizbacken
- 16
- Spalte
- 17
- Rohr
- 17a
- Rohrende
- 17b
- übergangsbereich
- 18
- Belag
- 19
- Niete
- 20
- Spreizdorn
- 21
- Gewindeverbindung
- 22
- Antriebsstange
- 23
- Übergangsstück
- 24
- Gewindeverbindung
- A-A
- Systemachse
- "D"
- Durchmesser