DE102005029680A1

DE102005029680A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile durch Einwalzen

Info

Publication number: DE102005029680A1
Application number: DE200510029680
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Weinert; Michael Dipl.-Ing. Hagedorn
Original assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: WO2006136150A1; DE102005029680B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen nichtrotationssymmetrischer Hohlprofile (6, 7) durch Einwalzen, aufweisend ein längs der Längserstreckung (17) zu den Hohlprofilen (6, 7) relativ verschiebbares Walzwerkzeug (1) mit radial verstellbaren Wälzelementen (4), bei der das Walzwerkzeug (1) ein wellenartiges Mittelteil (10) aufweist mit einem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) und einem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2), wobei die Querschnittsformen der Abschnitte (2, 3) an die Innenform des zu fügenden inneren Hohlprofils (6) angepasst sind und die Rotationsachse (14) der Wälzelemente (4) im wesentlichen quer zu der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) angeordnet ist. Durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils (10) relativ zu den Wälzelementen (4) in Richtung der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) sind die Wälzelemente (4) zuerst auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) abwälzend radial in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zu nach außen verstellbar und anschließend kann das innere Hohlprofil (6) dann durch ein Abwälzen der Wälzelemente (4) zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) und der Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zumindest abschnittsweise aufgeweitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile durch Einwalzen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 beziehungsweise gemäß Oberbegriff des Anspruches 17.
Die Herstellung miteinander verbundener Hohlprofile wird schon seit langem auch durch das kontinuierliche Rohreinwalzen vorgenommen. Das Einwalzen ist ein Verfahren, welches auf dem Prinzip des Glattwalzens mit vergrößertem Walzübermaß in zusammengesteckten Profilelementen beruht. Dabei kommt es zu einer lokalen Aufweitung des inneren Profils in einem angepassten Außenbauteil. Das Innenprofil wird durch das Walzwerkzeug, welches mit Walzübermaß axial durch das Innenprofil verfährt, plastisch aufgeweitet. Befindet sich über dem Innenprofil an der Einwalzstelle ein entsprechendes Außenbauteil mit einem geringen Spiel, wird dieses durch das nach außen drängende Innenprofil elastisch verformt, so dass sich durch die plastische Aufweitung des Innenprofils in Kombination mit der elastischen Rückfederung des Außenbauteils im Fügespalt eine hohe Flächenpressung einstellt und so eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
Bisher sind derartige Walzwerkzeuge mit rotierendem Walzkörpersatz wie etwa in der DE 3733990 A1 oder der DE 10100990 A1 beschrieben lediglich für rotationssymmetrische Profile eingesetzt worden. Die Verbindung nicht-rotationssymmetrischer Profile ist mit derartigen Werkzeugen nicht möglich, da entsprechend typischer Profilformen wenn überhaupt nur geringe Flächenanteile der zu verbindenden Profiloberflächen miteinander auf einer Kreisbahn in Kontakt stehen und daher ein Einwalzen konventioneller Art nicht zum Erfolg einer festen Verbindung der beiden Profile führen würde.
Es ist weiterhin beispielsweise aus dem deutschen Aufsatz „Herstellung gebauter Nockenwellen durch Aufweiten mit Walzwerkzeugen" von Klaus Weinert und Michael Hagedorn in der deutschen Zeitschrift MTZ 4/2003 auf Seite 321 beschrieben, dass entlang eines Rohres an unterschiedlichen Stellen Aufweitvorgänge zum Festsetzen von Nocken auf einem zylindrischen Rohr ausgeführt werden, wodurch sich nach dem Aufweiten ein entlang der Rotationsachse des Rohres nicht symmetrischer Längsschnitt des Rohres ergibt. Auch hierbei sind aber an jedem Querschnitt des Rohres, an dem die Nocken festgesetzt werden, rotationssymmetrische Ausgestaltungen des Querschnittes des Rohres Voraussetzung für die Festlegung der Nocken. Ebenfalls ist es aus der deutschen Zeitschrift wt Werkstattstechnik 91 (2001) H. 6 auf Seite 362 in dem Aufsatz „Herstellung nichtzylindrischer Verbundwerkstücke" von Klaus Weinert und Michael Hagedorn bekannt, das Innere des aufzuweitenden Rohres mit wiederum nur rotationssymmetrisch verlaufenden Vertiefungen und Nuten zu versehen, um die Haftung zweier Rohre ineinander zu verbessern.
Das Fügen von zwei nicht rotationssymmetrischen, etwa prismatischen Hohlprofilen, wie z. B. mit geringem Spiel ineinander steckbaren Vierkantrohren oder dergleichen, ist aber insbesondere aufgrund der Verwendung derartiger Hohlprofile in Verbundbauteilen ein sich ständig häufiger stellendes Problem. Derartige Verbundbauteile wie etwa auch Nockenwellen oder dgl. weisen bei einer derartigen Herstellungsweise den Vorteil auf, dass eine belastungsgerechte Materialauswahl für die einzelnen Teile des Verbundbauteiles möglich wird, wodurch sich die Herstellung vereinfacht und darüber hinaus auch Gewicht des fertigen Bauteils gespart werden kann.
Das umformtechnische Fügen durch Weiten von prismatischen und insbesondere nicht rotationssymmetrischen Hohlprofilen ist bislang lediglich durch wirkmedienba siertes, elektromagnetisches und elastomerkörperbasiertes Umformen möglich, wie dies beispielsweise in der DE 19837385A1 für verschiedene Verfahren beschrieben ist. Im Vergleich hierzu ist das Fügen durch Einwalzen bislang beschränkt auf rotationssymmetrische Hohlprofile. Neben den aufgeführten umformtechnischen Verfahren zum Fügen von Profilen besteht weiterhin die Möglichkeit des Fügens durch Verbindungselemente wie z. B. durch Schrauben und Niete etc. Weiterhin existieren die Verfahren des stoffschlüssigen Fügens wie z. B. Schweißen, Löten und Kleben.
Zu den Nachteilen des heutigen Stands der Technik wird in diesem Zusammenhang nur auf die momentan technisch relevanten Verfahren eingegangen. Das sind im besonderen das wirkmedienbasierte, das elektromagnetische und das elastomerkörperbasiertes Umformen.
Beim wirkmedienbasierten Innenhochdruckumformen werden, um die Umformung zu gewährleisten, meist flüssige Druckmedien benötigt, die unter einem sehr hohen Druck das Innenrohr aufweiten und so eine kraftschlüssige Verbindung erzielen. Dies verlangt eine aufwändige Abdichtung des Systems, um ungewünschte Leckagen zu verhindern. Zudem müssen aufgrund des hohen Drucks großzügig dimensionierte Gesenke eingesetzt werden, die ein zu großes Aufweiten der Bauteile verhindern. Ist dies nicht der Fall kann es zum Bersten des Rohrverbundes kommen. Darüber hinaus ist die Aufweitung des Hohlprofils nicht lokal begrenzt, das heißt, es werden auch Bereiche der Profilverbindung der hohen Druckbelastung ausgesetzt, die nicht zum Fügen genutzt werden. Zudem kann ein unerwünschter Kerbwirkungseffekt im Bereich der Nabenränder entstehen, weil an der Nabenecke eine Kerbspitze in das Rohrmaterial eingebracht werden kann.
Das elektromagnetische Umformen ist beschränkt auf elektrisch leitfähige Materialien, so dass ein Fügen durch Weiten z. B. artfremder bzw. nichtleitender Materialien nicht realisierbar ist.
Darüber hinaus unterliegt beim Aufweiten mittels eines kompressiblen Elastomerkörpers dieses Verformungselement einem erhöhten Werkzeugverschleiß. Insbesondere beim Einsatz in mineralölkontaminierter Umgebung kommt es zu erheblichen Schädigungen am Elastomerwerkstoff.
Ebenfalls eine nur geringe chemische Beständigkeit bzw. große thermische Belastungen zeigen Klebeverbindungen bzw. geschweißte oder gelötete Verbindungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art insofern weiterzuentwickeln, dass die Fügeverbindung von Hohlprofilen mit nicht-rotationssymmetrischen Querschnitten auf einfache und sichere Art ermöglicht wird.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung gemäß Anspruch 1 geht aus von einer Vorrichtung zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile durch Einwalzen, aufweisend ein längs der Längserstreckung zu den Hohlprofilen relativ verschiebbares Walzwerkzeug mit radial verstellbaren Wälzelementen. Eine solche gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch weiter entwickelt, dass das Walzwerkzeug ein wellenartiges Mittelteil aufweist mit einem sich endseitig verjüngenden Abschnitt und einem im wesentlichen prismatischen Abschnitt, wobei die Querschnittsformen der Abschnitte an die Innenform des zu fügenden inneren Hohlprofils angepasst sind und die Rotationsachse der Wälzelemente im wesentlichen quer zu der Längserstreckung des inneren Hohlprofils angeordnet ist. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung das Walzwerkzeug durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils relativ zu den Wälzelementen in Richtung der Längserstreckung des inneren Hohlprofils zuerst auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt abwälzend radial in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils zu nach außen verstellbar sein und das innere Hohlprofil dann durch ein Abwälzen der Wälzelemente zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt und der Innenfläche des inneren Hohlprofils zumindest abschnittsweise aufweiten. Die Anordnung der Rotationsachse der Wälzelemente erlaubt während der Längsverschiebung des Walzwerkzeuges eine leichtgängige Verstellung des Walzwerkzeuges, wobei gleichzeitig im Bereich der Berührung von Wälzelementen und Innenfläche des inneren Hohlprofils die Umformung und Aufweitung des in neren Hohlprofils durch hohe Umformspannungen unter den Wälzelementen vorgenommen wird.
Die an die jeweilige Querschnittsform der zu verbindenden Hohlprofile adaptierbare Anordnung der Wälzelemente und des wellenartigen Mittelteils des Walzwerkzeuges überführen die lineare Bewegung des wellenartigen Mittelteils in eine im wesentlichen mit der Rotationsachse quer zur linearen Bewegung des wellenartigen Mittelteils verlaufende Abwälzbewegung der Wälzkörper, so das ein lokales Aufweiten des inneren beispielsweise prismatischen Hohlprofils erfolgen kann. Die Wälzelemente und der wellenartige Mittelteil des Walzwerkzeuges besitzen im Zusammenbauzustand (als Spreizkörper) eine an das zu fügende Profil angepasste Außenkontur. Entsprechend der Vergrößerung des endseitig sich verjüngenden Abschnittes ist so die Möglichkeit gegeben, bei einer Relativverschiebung der Wälzelemente auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt ein definiertes Vergrößern der Außenkontur der Wälzelemente einzustellen und somit nach Erreichen des Sollmaßes beim Abwälzen der Wälzelemente auf dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt durch das Abwälzen der Wälzelemente zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt und der Innenfläche des inneren Hohlprofils unter Übermaß ein gezieltes Verformen der Fügestelle der beiden Hohlprofile zu realisieren. Nach Erreichen der gewünschten Aufweitung wird das Walzwerkzeug dann in einer ersten Ausgestaltung in umgekehrter Richtung verfahren, wodurch sich die Wälzelemente wieder in ihre Ausgangslage soweit zurück bewegen, bis sich die Wälzelemente wieder auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt des wellenartigen Mittelteils befinden und das Walzwerkzeug unter Spiel aus dem Inneren des inneren Hohlprofils herausgefahren werden kann. Hierbei ist es denkbar, dass sich das aus den Wälzelementen und dem wellenartigen Mittelteil gebildete Walzwerkzeug nach dem Ausführen des Aufweitvorganges wieder in Richtung auf den sich endseits verjüngenden Abschnitt zurück bewegt. In anderer Ausgestaltung kann das wellenartige Mittelteil auch doppelt konisch oder dgl. ausgebildet sein, indem auch an dem dem verjüngenden Abschnitt gegenüberliegenden Endbereich des wellenartigen Mittelteils ein sich verjüngender Abschnitt vorgesehen ist und dieser andernends so angeordnet und von dem Walzwerkzeug überwälzt wird, dass der sich verjüngende Abschnitt die Wälzelemente wieder in Richtung auf die Mittelachse des wellenartigen Mittelteils zurück stellt. Da mit kann die Verstellbewegung der Wälzelemente auf dem wellenartigen Mittelteil auch ohne einen Rückhub ausgeführt werden.
Die Wälzelemente sind bei der Durchführung des Aufweitens vorteilhaft derart an dem Walzwerkzeug in einem Führungskäfig gehalten, dass bei einer Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils relativ zu dem Käfig die Wälzelemente von dem Käfig geführt schlupffrei auf den Abschnitten des wellenartigen Mittelteils abwälzen können.
Durch eine profilgerechte Anpassung der Außenform und der Außenabmessungen dieses so gebildeten Walzwerkzeuges ist somit das Fügen durch Weiten verschiedenster Hohlprofile auch unterschiedlichster Materialien realisierbar. Bei diesem Fügen durch Weiten tritt eine lokale Umformung unter den Wälzelementen zur Reduzierung der Werkstoffbelastung im Hohlprofil auf. Die Ausbildung des Walzwerkzeuges bietet die Möglichkeit, prismatische Hohlprofile auch artfremder Materialien formspezifisch mit geringem Zeitaufwand fügen zu können. Gegenüber den bisher verwendeten Verfahrensalternativen besteht durch den Einsatz des Walzwerkzeuges erstmals die Möglichkeit zur Herstellung einer Fügeverbindung durch Aufweiten von prismatischen Hohlprofilen verschiedener Gestalt und Material. Darüber hinaus können mit diesem Verfahren durch eine Mehrfachanordnung von Walzmechanismen und Walzwerkzeugen gleichzeitig an verschiedenen Stellen beispielsweise in einem Vierkantrohr Fügeverbindungen hergestellt werden.
Es versteht sich von selbst, dass bei der hier vorgestellten Erfindung immer dann, wenn von Hohlprofilen gesprochen wird, sehr unterschiedliche Gestaltungen der beteiligten Fügepartner gemeint sein können und sich die Anwendung nicht nur auf dünnwandige rohrartige Hohlprofile beschränkt. Beispielsweise werden unter Hohlprofilen etwa auch Nockenwellen verstanden, deren Nocken auf der eigentlichen relativ dünnwandig ausgestalteten Nockenwelle befestigt werden sollen. Allgemein ist ansonsten ein Einsatz im Bereich des Fügens von Leichtmetallrahmenstrukturen oder auch z.B. im Rohrleitungsbau denkbar. Denkbar ist der Einsatz derartiger Vorrichtungen sowie des entsprechenden Fertigungsverfahrens weiterhin insbesondere für die Herstellung von Leichtmetallrahmenstrukturen, etwa auch im Luft-, Wasser- und Straßenfahrzeugbau, für Leichtmetallgerüste und Leitern oder auch Transporteinrichtungen für manuelle Handhabung z. B. im Industriebereich, für den Garten, als Krankentrage im Rettungsdienst und Katastrophenschutz sowie auch für das Fügen von mediendichten Rohrleitungen.
Von Vorteil ist es, wenn die Querschnittsabmessungen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes derart ausgebildet sind, dass sich zusammen mit den auf dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt abwälzenden Wälzelementen ein Übermaß gegenüber dem Innenmaß des inneren Hohlprofils einstellt. Durch die maßliche Gestaltung des im wesentlichen prismatischen Abschnittes kann dann das Übermaß und dadurch die Aufweitung des inneren Hohlprofils durch die sich abwälzenden Wälzelemente genau auf die Gegebenheiten der mit dem äußeren Hohlprofil herzustellenden Verbindung und der dabei zu realisierenden Festigkeit dieser Verbindung eingestellt werden. Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung auch denkbar, dass die Querschnittsabmessungen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes entlang der Längsrichtung des inneren Hohlprofils sich verändern, um das Übermaß zwischen den Wälzelementen und der Innenwandung des inneren Hohlprofils und damit den Grad der Aufweitung des inneren Hohlprofils zu beeinflussen. Dadurch kann beispielsweise lokal durch eine größeres Übermaß in bestimmten Bereichen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes eine stärkere Aufweitung des inneren Hohlprofils erreicht werden.
Um das beschriebene Walzwerkzeug einfach in das Innere des inneren Hohlprofils einfahren und nach der Aufweitung wieder herausziehen zu können, ist es von Vorteil, wenn der im wesentlichen sich endseitig verjüngende Abschnitt an einem Endbereich des wellenartigen Mittelteils angeordnet ist und das schlankere Ende des sich endseitig verjüngenden Abschnittes derartige Querschnittsabmessungen aufweist, dass sich zusammen mit den auf dem im wesentlichen sich endseitig verjüngenden Abschnitt abwälzenden Wälzelementen ein Spiel gegenüber dem Innenmaß des inneren Hohlprofils einstellt.
Eine besonders gleichmäßige Spreizung der Wälzelemente ergibt sich, wenn die Querschnittsabmessungen des sich endseitig verjüngenden Abschnittes im wesentlichen konisch zum im wesentlichen prismatischen Abschnitt des Walzwerkzeuges hin vergrößern.
Besonders einfache Verhältnisse beim Abwälzen der Wälzelemente lassen sich dann erreichen, wenn die Rotationsachse der Wälzelemente im wesentlichen quer zu der Längserstreckung des inneren Hohlprofils angeordnet ist. Hierdurch wälzen sich die Wälzelemente im wesentlichen linear in Richtung der Längserstreckung des inneren Hohlprofils auf dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt des wellenartigen Mittelteils ab.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Wälzelemente in einem an dem Walzwerkzeug angeordneten Käfig derart gehaltert sind, dass die Wälzelemente bei einer Längsbewegung des wellenartigen Mittelteils eine zu dem Käfig ortsfeste Rotationsbewegung ausführen. Der Käfig ist hierbei ortsfest derart an dem Walzwerkzeug gehalten, dass eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils ein Abwälzen der Wälzelemente auf dem wellenartigen Mittelteil hervorruft. Insbesondere, wenn der Käfig der Wälzelemente sich beim Einwalzen mit der Vorschubgeschwindigkeit des Walzwerkzeuges bewegt, wohingegen der wellenartige Mittelteil sich mit der doppelten Vorschubgeschwindigkeit des Walzwerkzeuges bewegt, lässt es sich erreichen, dass die Wälzelemente sich auf der Oberfläche des im wesentlichen prismatischen Abschnittes des Walzwerkzeuges schlupffrei abwälzen. Hierdurch wird der Verschleiß der Wälzelemente wesentlich verringert und damit die Lebensdauer der Wälzelemente und damit des Walzwerkzeuges verlängert.
Eine besonders einfach Einrichtung des Walzwerkzeuges im Inneren des inneren Hohlprofils lässt sich dadurch erreichen, dass die Wälzelemente nach Einstellen der gewünschten Fügeposition des Walzwerkzeuges relativ zu dem inneren Hohlprofil durch eine Relativverschiebung zwischen dem Käfig der Wälzelemente und dem wellenartigen Mittelteil durch den im wesentlichen sich endseitig verjüngenden Abschnitt radial nach außen in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils verstellbar sind. Das Walzwerkzeug muss daher als ganzes nur an den richtigen Querschnitt des inneren Hohlprofiles verfahren werden, wonach dann durch Relativverschiebung zwischen dem Käfig der Wälzelemente und dem wellenartigen Mittelteil die Wälzelemente radial aufgespreizt werden und für den eigentlichen Walzvorgang in ihrer bestimmungsgemäßen Position und Lage relativ zur Innenwandung des inneren Hohlprofils angeordnet werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Aufweitvorgang des inneren Hohlteils durch Veränderung der Anzahl und der Anordnung der Wälzelemente am Umfang des wellenartigen Mittelteils anpassbar ist. Durch die Anordnung und die Anzahl der Wälzelemente kann der Ort und die betroffene Fläche der Aufweitung auf der Innenwandung des inneren Hohlprofiles weitgehend variiert und an die benötigten Festigkeitswerte der Verbindung von innerem und äußerem Hohlprofil angepasst werden.
Zur Herstellung mehrerer aufgeweiteter Befestigungsstellen entlang der Rotationsachse der Hohlprofile ist es denkbar, dass durch Mehrfachanordnung von Walzwerkzeugen entlang der Längserstreckung der Hohlprofile gleichzeitig an mehreren Stellen Fügeverbindungen durch Aufweiten herstellbar sind. Hierdurch ist insbesondere eine Reduzierung der Bearbeitungszeit der Hohlprofile erreichbar. Selbstverständlich kann auch das Walzwerkzeug entlang der Längserstreckung der Hohlprofile verstellbar angeordnet sein, um an verschiedenen Stellen der Hohlprofile nacheinander Fügeverbindungen durch Aufweiten herzustellen.
Von wesentlichem Vorteil ist es, dass die von dem Walzwerkzeug gebildete Außenkontur an beliebige Querschnittsformen der Hohlprofile anpassbar sind, so dass nahezu beliebige Querschnittsformen entsprechender Hohlprofile gezielt dort, wo die Wälzelemente angeordnet werden, geweitet und damit sicher aneinander festgelegt werden können.
Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile durch Einwalzen, aufweisend ein längs der Längserstreckung zu den Hohlprofilen relativ verschiebbares Walzwerkzeug mit radial verstellbaren Wälzelementen. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch weiter entwickelt, dass das Walzwerkzeug ein wellenartiges Mittelteil aufweist mit einem sich endseitig verjüngenden Abschnitt und einem im wesentlichen prismatischen Abschnitt, wobei die Querschnittsformen der Abschnitte an die Innenform des zu fügenden inneren Hohlprofils angepasst sind und die Wälzelemente durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils relativ zu den Wälzelementen in Richtung der Längserstreckung des inneren Hohlprofils zuerst auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt abwälzend radial in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils zu nach außen verstellen und das innere Hohlprofil dann durch ein Abwälzen der Wälzelemente zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt und der Innenfläche des inneren Hohlprofils zumindest abschnittsweise aufweitend gewalzt wird. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren können Aufweitvorgänge an Hohlprofilen auch ohne die bisher notwendige rotierende Bewegung des Werkzeuges um die Längserstreckung der Hohlprofile herum ausgeführt werden, indem durch das Walzwerkzeug eine entsprechende lokale Verformung im Inneren des inneren Hohlteils erzeugt wird und diese damit ähnlich wie beim konventionellen Einwalzen sich an das äußere Hohlteil anliegt und mit diesem eine kraftschlüssige Verbindung herstellt. Die Arbeitsbewegung ist dabei eine lineare Bewegung, die durch abwälzende Wälzelemente in eine Rotationsbewegung der Wälzelemente umgesetzt wird und damit aufgrund der Anpressung der Wälzelemente mit Übermaß an das Innere des inneren Hohlteils eine lokale Umformung der Wandung des inneren Hohlteils hervorruft. Wird diese lokale Umformung der Wandung des inneren Hohlteils, die eine Aufweitung des inneren Hohlteils bewirkt, entlang einer entsprechenden Wirklänge durchgeführt, so bildet sich einer ausreichend hohe Flächenpressung zwischen dem inneren Hohlteil und dem äußeren Hohlteil, die das Übertragen von Kräften und Drehmomenten ermöglicht. Die lokale Umformung erfolgt nur auf der Bahn der Wälzelemente und damit flächenmäßig begrenzt, kann jedoch durch die Anordnung und die Formgebung von Wälzelementen und den zugehörigen Abschnitten des wellenartigen Mittelbereichs einfach an beliebige Querschnittsformen von Hohlprofilen angepasst werden. Damit ist das erfindungsgemäße Herstellverfahren sehr vielseitig einsetzbar und mit nur geringem Aufwand an unterschiedliche Profilformen anpassbar und damit kostengünstig und technisch einfach auszuführen.
Von Vorteil hinsichtlich des Verschleißes der Wälzelemente ist es, wenn die Wälzelemente sich auf der Oberfläche des im wesentlichen prismatischen Abschnittes des Walzwerkzeuges schlupffrei abwälzen. Hierfür werden die Relativgeschwindigkeiten von wellenartigen Mittelbereich und Walzwerkzeug entsprechender geometrischen Abrollverhältnisse der Wälzkörper unterschiedlich ausgeprägt sein, beispielsweise bewegt sich der wellenartige Mittenbereich doppelt so schnell wie die Bewegung des Walzwerkzeuges insgesamt ausgeführt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1 – eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufweiten eines im wesentlichen rechteckigen Profiles mit einem Walzwerkzeug mit längsverschieblich angeordneten wellenartigen Mittelbereich und daran in einem Käfig geführten Wälzelementen vor dem Ausführen des Aufweitvorganges jeweils dargestellt in einer geschnittenen Seitenansicht und einer Vorderansicht,
2 – das Walzwerkzeug während des Ausführens des Aufweitvorganges mit unter Übermaß gegen die Innenwandung des inneren Hohlprofils gepressten Wälzelementen gemäß 1
3 – eine vergrößerte Darstellung nur des Wirkbereiches der Umformung des inneren Hohlprofils gemäß 1,
4 – eine vergrößerte Darstellung nur des Wirkbereiches der Umformung des inneren Hohlprofils gemäß 2,
In den 1 und 2 ist in einer schematischen Darstellung der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufweiten eines im wesentlichen rechteckigen Hohlprofiles 6, 7 dargestellt, aus der die grundsätzliche Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervorgeht. In den 3 und 4 ist dann der jeweilige Wirkbereich bei der Umformung des inneren Hohlprofils 6 noch einmal vergrößert dargestellt, um auch Details besser erkennen zu können. Inhaltlich korrespondiert die 3 mit der 1 und die 4 mit der 2. Hinsichtlich der Erläuterung zu den 3 und 4 sei auf die ausführliche Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
In der 1 ist ein Walzwerkzeug 1 zu erkennen, das zur Umformung und Aufweitung von zwei nur schematisch angedeuteten Hohlprofilen 6, 7 dient, die mit geringem Spiel ineinander gesteckt sind und eine hier nur beispielhaft quadratisch ausgestaltete Außenkontur aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass derartige Hohlprofile 6 und 7 nahezu beliebige Querschnitte aufweisen können, wobei durch entsprechende Änderung der Anordnung der Wirkelemente des Walzwerkzeuges 1 eine entsprechende Aufweitung des inneren Hohlprofils 6 und damit eine Anpressung des inneren Hohlprofils 6 an das äußere Hohlprofil 7 erreicht werden kann.
Das Walzwerkzeug 1 wird gebildet aus einem wellenartigen Mittelteil 10 mit einem Querschnitt, der im wesentlichen an den Querschnitt der Hohlprofile 6 und 7 angepasst und in nachfolgend ausgeführter Weise noch verändert ist. Das wellenartige Mittelteil 10 wird in nicht weiter beschriebener Weise in einer Aufnahme 9 in eine entsprechende, nicht dargestellte Walzmaschine eingespannt und ist dabei längsverschieblich entlang der Längserstreckung 17 der Hohlprofile 6, 7 in Vorschubrichtung 8 verschiebbar gehalten. An der Aufnahme 9 ist ein Halterohr 15 drehfest aufgenommen, das an seinem der Aufnahme 9 gegenüberliegend angeordneten Endbereich einen noch näher beschriebenen Käfig 5 mit daran angeordneten Wälzelementen 4 aufweist. Diese Wälzelemente 4 werden dabei durch den Käfig 5 mit Fenstern 16 innerhalb der Hohlprofile 6, 7 angeordnet und in Längsrichtung 17 positioniert. Das wellenartige Mittelteil 10 kann sich hierbei relativ zu der Aufnahme 9 und damit auch relativ zu den Wälzelementen 4 verschieben.
Das wellenartige Mittelteil 10 weist in der 1 in Längsrichtung 17 der Hohlprofile 6, 7 hintereinander angeordnet drei Abschnitte auf, von denen endseits ein Auslaufbereich 11, daran anschließend ein sich endseitig verjüngender Abschnitt 3 und dann ein im wesentlichen prismatischer Abschnitt 2 angeordnet sind. Alle diese Abschnitte 11, 3, 2 weisen Querschnitte auf, die im Prinzip gleich wie die Querschnitte der Hohlprofile 6,7 ausgestaltet sind, wobei allerdings die maßlichen Abmessungen der Querschnitte der Abschnitte 11, 3, 2 unterschiedlich ausgebildet sind. Der Auslaufbereich 11 ist dabei so dimensioniert, dass die hier beispielhaft als Rollen ausgebildeten Wälzelemente 4, sofern sie an der Außenform des Auslaufbereiches 11 anliegen, nicht über die in dem Käfig 5 gebildeten Fenster 16 radial herausstehen und dabei mit der Innenwandung des inneren Hohlprofils 6 nicht in Berührung kommen. Mit dieser Anordnung der Wälzelemente 4 relativ zu dem wellenartigen Mittelteil 10 wird das Walzwerkzeug 1 in das Innere des inneren Hohlprofils 6 eingefahren, so dass das Walzwerkzeug 1 frei innerhalb des inneren Hohlprofils 6 in Richtung der Längserstreckung 17 verfahrbar ist. Wird nun die Aufnahme 9 relativ zu den Hohlprofilen 6, 7 in ihrer Lage festgesetzt und danach das wellenartige Mittelteil 10 in Vorschubrichtung 8 bewegt, so werden die Wälzelemente 4 zuerst auf dem Auslaufbereich 11 abwälzen und dann in den Bereich des sich endseitig verjüngenden Abschnittes 3 gelangen. Der endseitig sich verjüngende Abschnitt 3 ist hierbei konisch beziehungsweise pyramidenförmig sich erweiternd in Richtung auf den im wesentli chen prismatischen Abschnitt 2 gestaltet, so dass bei einer Verschiebung des wellenartigen Mittelteils 10 in Vorschubrichtung 8 die Wälzelemente 4 auf dem Konus des sich endseitig verjüngenden Abschnittes 3 abwälzen und dabei radial zunehmend nach außen durch die Fenster 16 in Richtung auf die Innenwandung des inneren Hohlprofils 6 gespreizt werden. Dabei kommen die Wälzelemente 4 kurz vor Erreichen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes 2 mit der Innenwandung des inneren Hohlprofils 6 in Berührung, wobei die Größe der Berührung beziehungsweise der Anpressung von den Querschnittsabmessungen des sich endseitig verjüngenden denn Abschnittes 3 und des im wesentlichen prismatischen Abschnittes 2 abhängig sind. Diese werden üblicherweise so gewählt, dass sich beim Abwälzen der Wälzelemente 4 bei weiterer Verschiebung des wellenartigen Mittelteils 10 in Vorschubrichtung 8 sich ein Übermaß der Außenkonturen der Wälzelemente 4 ergibt und damit eine hohe Flächenpressung zwischen den Wälzelementen 4 und der Innenwandung des inneren Hohlprofils 6 ergibt. Durch diese Flächenpressung wird das Material des inneren Hohlprofils 6 lokal durch die Wälzelemente 4 verformt und insgesamt das innere Hohlprofil 6 aufgeweitet, so dass sich das innere Hohlprofil 6 plastisch verformt und an die Innenwandung des äußeren Hohlprofils 7 anpresst. Hierdurch kann eine sichere Verbindung zwischen den Hohlprofilen 6, 7 erreicht werden, wie dies beispielsweise beim Aufweiten mit rotatorisch bewegten Werkzeugen grundsätzlich bekannt ist. Der Zustand des Walzwerkzeuges 1 beim Aufweiten des inneren Hohlprofils 6 ist näher in der 2 beziehungsweise der 4 dargestellt, wobei in der Walzzone 12 die vorstehend beschriebene plastische Umformung des inneren Hohlprofils 6 vor sich geht.
Verfährt man während der Vorschubbewegung in Vorschubrichtung 8 des wellenartigen Mittelteils 10 ebenfalls die Aufnahme 9 und damit den daran über das Rohr 15 festgelegten Käfig 5, so werden die Wälzelemente 4 in Längserstreckung 17 der Hohlprofile 6, 7 ebenfalls mit verschoben und es bildet sich nicht nur eine Linienberührung zwischen den Wälzelementen 4 und dem inneren Hohlprofil 6, sondern die Walzzone 12 wird flächig unter der Bahn der Wälzelemente 4 auf der Innenwandung des inneren Hohlprofils 6 ausgewalzt. Der Käfig 5 hat hierbei die Aufgabe, die Wälzelemente 4 relativ zu der Aufnahme 9 in ihrer Ausgangsposition zu halten und ein korrektes, vorzugsweise schlupffreies Abwälzen der Wälzelemente 4 auf dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt 2 zu gewährleisten. Hierzu werden die Wälz elemente 4 in den fensterartigen Öffnungen 16 des Käfigs 5 gehalten, wobei aber eine radiale Spreizbewegung der Wälzelemente 4 möglich ist.
Ist der Walzvorgang in der entsprechenden Länge im Inneren des inneren Hohlprofils 6 ausgeführt worden, so kann das Walzwerkzeug 1 sowie der wellenartige Mittelbereich 10 entgegen der Vorschubrichtung 8 wieder aus dem inneren Hohlprofil 6 herausgezogen werden, wobei die Wälzelemente 4 in umgekehrter Drehrichtung noch einmal den Walzbereich 12 überwälzen und zu einer weiteren Verfestigung der Verbindung zwischen den Hohlprofilen 6 und 7 beitragen. Nach dem Verlassen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes 2 werden die Wälzelemente 4 wieder auf den sich endseitig verjüngenden Abschnitt 3 und letztendlich auf den Auslaufbereich 11 gelangen, wonach das Walzwerkzeug 1 wieder frei aus dem Inneren des inneren Hohlprofils 6 herausgezogen oder auch ein weiterer Walzvorgang an anderer Stelle der Hohlprofile 6 und 7 ausgeführt werden kann.
Die Querschnitte von wellenartigem Mittenbereich 10, im wesentlichen prismatischem Abschnitt 2 und sich endseitig verjüngendem Abschnitt 3 können hierbei in Abhängigkeit von der Querschnittsform und den Querschnittsabmessungen der zu verbindenden Hohlprofile 6 und 7 vielfältig variiert und angepasst werden. Es ist dabei denkbar, pro Innenfläche der Hohlprofile 6, 7 mehr als ein Wälzelement 4 vorzusehen oder auch die Wälzelemente 4 anders als rollenförmig auszugestalten. Auch ist es denkbar, den im wesentlichen prismatischen Abschnitt 2 nicht durchgängig mit den gleichen Querschnittsabmessungen in Längsrichtung auszugestalten, sondern leichte Variationen der Querschnittsabmessungen zur Steuerung des Übermaßes zwischen den Wälzelementen 4 und dem inneren Hohlprofil 6 vorzunehmen. Hierdurch kann eine lokal unterschiedliche Umformung beim Abwälzen der Wälzelemente 4 erreicht werden. Hinsichtlich der Abmessungsunterschiede zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt 2 und dem endseitig sich verjüngenden Abschnitt 3 ist in den Figuren der Unterschied sehr drastisch dargestellt, üblicherweise wird sich je nach vorzunehmender Aufweitung des inneren Hohlprofils 6 der Unterschied der Außenabmessungen dieser Abschnitte nur im Bereich weniger Zehntel Millimeter bewegen. Ebenfalls ist der Unterschied der Querschnittsabmessungen im Bereich der Spielzone 13, wenn die Wälzelemente 4 auf dem Auslaufbereich 11 auf liegen, entsprechend gering denkbar, abhängig von der Ausgestaltung der Innenfläche des inneren Hohlprofils 6 und deren maßlicher Konstanz.

1: Walzwerkzeug
2: im wesentlichen prismatischer Abschnitt
3, 3'': sich endseitig verjüngender Abschnitt
4: Wälzelemente
5: Käfig
6: inneres Hohlprofil
7: äußeres Hohlprofil
8: Vorschubrichtung
9: Aufnahme
10: wellenartiges Mittelteil
11: Auslaufbereich
12: Walzzone
13: Spielzone
14: Rotationsachse Wälzelement
15: Halterohr
16: Fenster
17: Längsrichtung Hohlprofile

Claims

Vorrichtung zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile (6, 7) durch Einwalzen, aufweisend ein längs der Längserstreckung (17) zu den Hohlprofilen (6, 7) relativ verschiebbares Walzwerkzeug (1) mit radial verstellbaren Wälzelementen (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (1) ein wellenartiges Mittelteil (10) aufweist mit einem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) und einem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2), wobei die Querschnittsformen der Abschnitte (2, 3) an die Innenform des zu fügenden inneren Hohlprofils (6) angepasst sind und die Rotationsachse (14) der Wälzelemente (4) im wesentlichen quer zu der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils (10) relativ zu den Wälzelementen (4) in Richtung der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) abwälzend radial in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zu nach außen verstellbar sind
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils (10) relativ zu den Wälzelementen (4) in Richtung der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) das innere Hohlprofil (6) durch ein Abwälzen der Wälzelemente (4) zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) und der Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zumindest abschnittsweise aufweiten.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) durch eine Relativverschiebung des wellenartigen Mittelteils (10) relativ zu den Wälzelementen (4) in Richtung der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) zuerst auf den sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) und anschließend auf den im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) abwälzbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an den im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) des wellenartigen Mittelteils (10) und gegenüberliegend zu dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) ein sich verjüngender Abschnitt (3') angeordnet ist,
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes (2) derart ausgebildet sind, dass sich zusammen mit den auf dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) abwälzenden Wälzelementen (4) ein Übermaß gegenüber dem Innenmaß des inneren Hohlprofils (6) einstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des im wesentlichen prismatischen Abschnittes (2) entlang der Längsrichtung (17) des inneren Hohlprofils (6) sich verändern, um das Übermaß zwischen den Wälzelementen (4) und der Innenwandung des inneren Hohlprofils (6) und damit den Grad der Aufweitung des inneren Hohlprofils (6) zu beeinflussen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im wesentlichen sich endseitig verjüngende Abschnitt (3) an einem Endbereich des wellenartigen Mittelteils (10) angeordnet ist und das schlankere Ende des sich endseitig verjüngenden Abschnittes (3) derartige Querschnittsabmessungen aufweist, dass sich zusammen mit den auf dem im wesentlichen sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) abwälzenden Wälzelementen (4) ein Spiel gegenüber dem Innenmaß des inneren Hohlprofils (6) einstellt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des sich endseitig verjüngenden Abschnittes (3) sich im wesentlichen konisch zum im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) des Walzwerkzeuges (1) hin vergrößern.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) in einem an dem Walzwerkzeug (1) angeordneten Käfig (5) derart gehaltert sind, dass die Wälzelemente (4) bei einer Längsbewegung (8) des wellenartigen Mittelteils (10) eine zu dem Käfig (5) ortsfeste Rotationsbewegung ausführen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) nach Einstellen der gewünschten Fügeposition des Walzwerkzeuges (1) relativ zu dem inneren Hohlprofil (6) durch eine Relativverschiebung zwischen dem Käfig (5) der Wälzelemente (4) und dem wellenartigen Mittelteil (10) durch den im wesentlichen sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) radial nach außen in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) verstellbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) der Wälzelemente (4) sich beim Einwalzen mit der Vorschubgeschwindigkeit des Walzwerkzeuges (1) bewegt, wohingegen der wellenartige Mittelteil (10) sich mit der doppelten Vorschubgeschwindigkeit des Walzwerkzeuges (1) bewegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitvorgang des inneren Hohlteils (6) durch Veränderung der Anzahl und der Anordnung der Wälzelemente (4) am Umfang des wellenartigen Mittelteils (10) anpassbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Mehrfachanordnung von Walzwerkzeugen (1) und Wälzelementen (4) entlang der Längsrichtung (17) der Hohlprofile (6, 7) gleichzeitig an mehreren Stellen Fügeverbindungen durch Aufweiten herstellbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (1) und die Wälzelemente (4) entlang der Längsrichtung (17) der Hohlprofile (6, 7) verstellbar angeordnet sind, um an verschiedenen Stellen der Hohlprofile (6, 7) nacheinander Fügeverbindungen durch Aufweiten herzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Wälzelementen (4) gebildete Außenkontur an beliebige Querschnittsformen der Hohlprofile (6, 7) anpassbar sind.
Verfahren zum Fügen nicht-rotationssymmetrischer Hohlprofile (6, 7) durch Einwalzen, aufweisend ein längs der Längserstreckung (17) zu den Hohlprofilen (6, 7) relativ verschiebbares Walzwerkzeug (1) mit radial verstellbaren Wälzelementen (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (1) ein wellenartiges Mittelteil (10) aufweist mit einem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) und einem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2), wobei die Querschnittsformen der Abschnitte (2, 3) an die Innenform des zu fügenden inneren Hohlprofils (6) angepasst sind und die Wälzelemente (4) durch eine Relativverschiebung (8) des wellenartigen Mittelteils (10) relativ zu den Wälzelementen (4) in Richtung der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) zuerst auf dem sich endseitig verjüngenden Abschnitt (3) abwälzend radial in Richtung auf die Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zu nach außen verstellen und das innere Hohlprofil (6) dann durch ein Abwälzen der Wälzelemente (4) zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) und der Innenfläche des inneren Hohlprofils (6) zumindest abschnittsweise aufweitend gewalzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) sich um eine im wesentlichen quer zu der Längserstreckung (17) des inneren Hohlprofils (6) rotierend auf dem wellenartigen Mittelteil (10) abwälzen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (4) sich auf der Oberfläche des im wesentlichen prismatischen Abschnittes (2) des Walzwerkzeuges (1) schlupffrei abwälzen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung des inneren Hohlteils (6) lokal nur in den Bereichen (12) erfolgt, in denen die Wälzelemente (4) mit Übermaß zwischen dem im wesentlichen prismatischen Abschnitt (2) und der Innenwandung des inneren Hohlprofils (6) abwälzen.