-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spanlosen
Formen einer rotationsförmigen
Abzweigung aus einem Grundkörper,
der aus einem plastisch verformbaren Material, wie Metall gebildet
ist. Die Abzweigung wird spanlos mittels Spalten des Grundkörpers aus
einer im wesentlichen ebenen Bearbeitungsoberfläche heraus geformt.
-
Es
ist bekannt, dafür
eine Druckwalze einzusetzen, die um deren eigene Drehachse rotiert
und dabei in das Material einer radialen Blechronde als Rohling
eindringt. Bei Drehung der Blechronde wird die Druckwalze in Eingriff
mit der Blechronde längs deren
Radialseite zugestellt, wodurch sich ein von der Radialseite erstreckender
Flansch oder Abzweigung bildet, die sich rotationsförmig um
die Rotationsachse der Blechronde erstreckt. Versuche mit der bekannten
Druckwalzenanordnung zeigten, daß zur Bildung der Abzweigung
eine Zustellung der Druckwalze nur von radial außen nach radial innen möglich ist
und damit die Gestaltungsfreiheit für Abzweigungen mit einem gegenüber der
Außenabmessung
der Blechronde gleichen Durchmesser stark eingeschränkt ist.
-
Ein
Spaltverfahren zur Erzeugung einer Abzweigung an einer ebenen Oberfläche eines
Grundkörpers
aus Metall ist aus
DE
299 21 590 U1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück von einer
Trennkante der von radial außen
nach radial innen gestellten Spalt- oder Druckwalze teilweise abgetrennt.
Das abgetrennte Material fließt
nun in Axialrichtung entlang der Spaltwalze, wobei das abgetrennte
Material radial gestaucht wird.
-
Bei
Materialuntersuchungen an den mit der Verzweigung geformten Blechrondenteilen
stellte sich heraus, daß im
Bereich der Umformzone Zugspannungen im Spaltgrund eine Rißbildung
im Material begünstigen.
Diese Risse können
zum Versagen des zu erstellenden Bauteils führen.
-
Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands
der Technik zu überwinden,
insbesondere ein spanloses Spaltverfahren und eine Vorrichtung zum
spanlosen Spalten bereitzustellen, wobei die Materialbeanspruchung,
insbesondere die Rissbildungsgefahr, in der Umformzone durch die
Spaltwalze reduziert sein und die konstruktive Gestaltungsfreiheit
für die
Abzweigung der Verformung erhöht
sein soll.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
-
Danach
dringt die sich um die eigene Drehachse drehende Spaltwalze in das
Material des Grundkörpers
um eine vorbestimmte Eindringtiefe unter Ausbildung der Umformzone
ein und wird in der eingedrungenen Lage längs der Überarbeitungsoberfläche bei
wesentlicher Aufrechterhaltung der Eindringtiefe zugestellt. Aus
der Umformzone wächst
die Abzweigung insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsoberfläche abhängig von
der Zustellgeschwindigkeit und der Eindringtiefe der Spaltwalze.
Die Umformzone bewegt sich längs
des Zustellweges der Spaltwalze entsprechend der Zustellgeschwindigkeit.
Erfindungsgemäß wird unmittelbar
beim Eindringen der Spaltwalze und während des gesamten Zustellens
der Spaltwalze, also während
des spanlosen Aufspaltens des Grundkörpers zur Erzeugung der Abzweigung,
eine Druckspannung in die Umformzone auf deren der Spaltwalze abgewandten
Seite eingeleitet.
-
Durch
das Induzieren von Druckspannung in die Umformzone wird erreicht,
daß die
durch das Spalten entstehenden Zugspannungen aufgehoben oder zumindest
stark geschwächt
werden. Aufgrund der reduzierten oder ausgelöschten Zuginnenspannungen wird
die Gefahr einer Rissbildung in dem plastisch verformbaren Material
des Grundkörpers deutlich
reduziert.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist eine zusätzliche
Stützwalze
auf der der Spaltseite abgewandten Seite der Umformzone angesetzt.
Die Stützwalze
wird zur Erzeugung der Druckspannung in der Umformzone entsprechend der
Zustellung der Spaltwalze gestellt. Es wird also zur Aufbringung
der Spaltdruckkräfte
und der Ausgleichsgegendruckkräfte
durch die Stützwalze
ein Walzenpaar sich gegenüberliegend
und zwischen sich die Abzweigung aufnehmend angeordnet.
-
Bei
der besonders bevorzugten Ausführung der
Erfindung wird beim Zustellen der Spaltwalze und insbesondere der
Stützwalze
an dem freien Ende der sich ergebenden, abgespaltenen Abzweigung
eine weitere Druck- oder Stauchkraft eingeleitet. Durch die Druck-
oder Stauchkraft ist insbesondere die Stärke der Abzweigung kontrollierbar.
Durch die Druck- oder Stauchkraft mittels Stauchring, der entsprechend
durch einen Antrieb gestellt werden kann, ist es möglich, die
Stärke
der Abzweigung längs
der gesamten, sich ergebenden Länge
der Abzweigung konstant zu halten oder gegebenenfalls variieren
zu lassen, je nach dem, wie die Stauch- oder Druckkraft eingestellt
ist.
-
Vorzugsweise
ist zwischen der Spaltwalze und der Stützwalze ein insbesondere ringförmiges Kontaktteil
angesetzt, das entsprechend dem Wachstum der Abzweigung unter Einleitung
der Druck- oder Stauchkraft bezüglich
des freien Endes der Abzweigung gestellt wird, um die gewünschten Druck-
oder Stauchkräfte
bereitzustellen.
-
Um
optimale Verformvoraussetzungen zu schaffen, wird eine relative
Drehbewegung zwischen dem Metallgrundkörper und der Spaltwalze um
eine Rotationsachse erzeugt, indem der Grundkörper um seine eigene Achse
rotiert und/oder sich die Spaltwalze um den Grundkörper dreht.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Maßnahme insbesondere
des Vorsehens einer zusätzlichen
Druckkraft, die am freien Ende der Verzweigung eingeleitet wird,
ist es nunmehr möglich,
die Spaltwalze von radial innen nach radial außen bezüglich der Rotationsachse des
Grundkörpers
zuzustellen und somit einen Flansch mit großem Durchmesser von einer Blechronde
erstrecken zu lassen. Es sei klar, daß die Stützwalze, die in diesem Fall
dann radial außen liegt,
entsprechend der Zustellung der Spaltwalze gestellt wird. Zur Dickeneinstellung
des Flansches oder der Abzweigung kann die Druck- oder Stauchkraft, die
in das freie Ende der Abzweigung einzuleiten ist, geregelt sein.
-
Um
eine optimale Umformumgebung im Bereich der Spaltwalze und der Stützwalze
zu schaffen, ist ein für
die Stützwalze
vorgesehener Antrieb derart ausgelegt, daß Druckkräfte sowohl mit bezüglich der Rotationsachse
des Grundkörpers
axialer als auch radialer Komponente in die Umformzone eingeleitet werden.
-
Außerdem betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung, wie eine Spaltwalzmaschine, gemäß den Merkmalen
von Anspruch 8. Danach wird die Abzweigung zwischen der Spaltwalze
und der Stützwalze
geformt, wobei ein Stellantrieb für die Stützwalze derart auf den Zustellantrieb
der Spaltwalze abgestimmt ist, daß eine Druckspannung in der
Umformzone auf deren der Spaltwalze abgewandten Seite über die Stützwalze
eingeleitet wird.
-
Es
sei klar, die erfindungsgemäße Vorrichtung
derart auszulegen, daß das
erfindungsgemäße, oben
angegebene Verfahren durchführbar
ist.
-
Bei
der bevorzugten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfassen die Spaltwalze eine spitzwinklige oder zur Vermeidung von
Spannungsspitzen und einer Rißbildung
im Verformungsgrund eine stumpfwinklige Eindringperipherie und die Stützwalze
eine im wesentlichen rechtwinklige Anlageperipherie, mit der die
Stützwalze
gegen die Umformzone des Grundkörpers
drückt,
ohne in das Material des Grundkörpers
einzudringen.
-
Vorzugsweise
ist die spitzwinklige Eindringperipherie abgeflacht. Die flache
Kante der Eindringperipherie kann einen nicht vernachlässigbaren
Winkel, insbesondere von etwa 10° bzw.
80°, zur
Axial- bzw. Radialrichtung aufweisen.
-
Außerdem können eine
flache, dem Grundkörper
zugewandte Radialseite der Spaltwalze und/oder eine flache, dem
Grundkörper
zugewandte Radialseite der Stützwalze
mit der Bearbeitungsfläche
des Grundkörpers
einen nicht vernachlässigbaren,
spitzen Einstellwinkel, vorzugsweise von 5°, insbesondere von etwa 10°, bilden.
-
Bei
der bevorzugten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bildet eine flache, dem Grundkörper
abgewandte Radialseite der Spaltwalze mit einer Axialrichtung des
Grundkörpers
einen nicht vernachlässigbaren,
spitzen Einstellwinkel, vorzugsweise von über 5°, insbesondere von etwa 10°.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist zwischen der Spaltwalze und der Stützwalze
eine Einrichtung zum Einleiten einer Druckkraft in ein freies Ende
der Abzweigung angeordnet. Dabei kann die Einrichtung ein Kontaktteil, das
mit dem freien Ende in einem punkt- oder linienförmigen Eingriff kommt, einen
Stellantrieb aufweisen, der die gewünschte Druckkraft in das freie
Ende der Abzweigung erzeugt.
-
Das
Kontaktteil kann beispielsweise ein Stauchring sein, dessen Dicke
die maximale Stärke der
Abzweigung festlegt. Der Stauchring ist dabei relativ zum Grundkörper beweglich
gelagert, daß er
auf dem freien Ende der Abzweigung abrollen kann.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
der Einrichtung zum Einleiten einer Druckkraft in ein freies Ende
der Abzweigung kann bei einem Zustellweg, der auch durch eine nicht
vernachlässigbare,
mit Bezug auf eine Rotationsachse des Grundkörpers radiale Zustellkomponente
definiert ist, die Spaltwalze bezüglich der Stützwalze
radial innen liegen.
-
Vorzugsweise
kann die von der Einrichtung und/oder von der Stützwalze erzeugte Druckkraft
abhängig
von einer Zustellcharakteristik der Spaltwalze, wie Eindringtiefe
oder Zustellgeschwindigkeit, und/oder von der gewünschten
Stärke
der Abzweigung eingestellt sein.
-
Bei
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist eine Steuer- und/oder Regeleinheit mit der Einrichtung
verbunden, um die in das freie Ende der Abzweigung und/oder in die
Umformzone einzuleitende Druckkraft zu regeln.
-
Um
einen sicheren Halt des vorzugsweise dünnwandigen Grundkörpers, aus
dem die Abzweigung gespaltet werden soll, zu gewährleisten, ist die Aufnahme
ein Dorn, auf den der dünnwandige Grundkörper fest
aufzumontieren ist.
-
Dieser
Dorn kann vorzugsweise mit Bezug auf eine Rotationsachse des Grundkörpers eine
rein radiale, ebene Seite und eine rein axiale, zylindrische Außenseite
aufweisen.
-
Der
Zustellantrieb für
die Spaltwalze sowie auch insbesondere für die Stützwalze kann die Spaltwalze
bzw. die Stützwalze
längs der
radialen Seite und auch längs
der zylindrischen Außenseite
zustellen, wodurch sowohl eine sich von der radialen Seite des Grundkörpers axial
erstreckende Abzweigung und eine sich von der zylindrischen Außenseite
radial erstreckende Abzweigung geformt werden können.
-
Bei
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist für
die Stützwalze
ein Stellantrieb vorgesehen, der zur Einleitung der Druckspannung
in die Umformzone und abhängig
von der Zustellcharakteristik der Zustellung der Spaltwalze gesteuert
ist.
-
Weitere
Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung anhand der beiliegenden
Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Spaltwalze
und einer Stützwalze
relativ zu einer Werkstückaufnahme
vor dem Beginn der Formgebung;
-
2 eine
Seitenansicht der Anordnung gemäß 2 während der
Formgebung;
-
3 eine
schematische Detailansicht des Bereichs III gemäß 2;
-
4 eine
schematische Querschnittsansicht der Spaltwalzen-Stützwalzenanordnung
bei einem Zustellweg von radial außen nach radial innen;
-
5 eine
schematische Querschnittsansicht einer bevorzugten Weiterbildung
der Anordnung aus Spaltwalze, Stützwalze
und einem Stauchring, wobei die Anordnung von radial innen nach
radial außen
zugestellt wird;
-
6 eine
schematische Querschnittsansicht der bevorzugten Weiterbildung der
Anordnung nach 5, wobei die Anordnung in einer
ersten Konfiguration axial zugestellt wird;
-
7 eine
schematische Querschnittsansicht der bevorzugten Weiterbildung der
Anordnung nach 5, wobei die Anordnung in einer
zweiten Konfiguration axial zugestellt wird; und
-
8 eine
perspektivische schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spaltwalzenmaschine.
-
In
den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Fließspaltanordnung
im allgemeinen mit Bezugsziffer 1 versehen Die Fließspaltanordnung 1 besteht
hauptsächlich
aus einem zylindrischen, drehbar gelagerten Dorn 3, auf
den der relativ dünne
Grundkörper
eines Werkstücks 5 oder
Rohlings, wie einer Blechronde, aufmontiert ist. Das Werkstück 5 umfaßt ein in
axialer Richtung (siehe Koordinatensystem am Dorn 3 (axial/radial))
umgebogenes Endstück 8 und ein
radial erstreckendes Bodenteil 7. Die Form des Grundkörpers entspricht
im wesentlichen einem Napf.
-
Wie
in 1 ersichtlicht ist, umfaßt die Fließspaltanordnung 1 eine
Spaltwalze 9, die eine spitzwinklige Eingriffsperipherie 11 umfaßt und deren Drehachse
gegenüber
der Rotationsachse R geneigt ist, die sich in axialer Richtung erstreckt.
Die Spaltwalze 9 ist drehbar gelagert, wobei die drehbare
Lagerung nicht dargestellt ist, und ist sowohl in axialer Richtung
als auch in radialer Richtung (siehe Pfeil Z) relativ zum Werkstück 5 zustellbar
ist.
-
Eine
Stützwalze 13 ist
der Spaltwalze 9 radial innen zugeordnet, die ebenfalls
drehbar gelagert ist und deren Drehachse E in zur Drehachse D entgegengesetzter
Richtung gegenüber
der Rotationsachse R des Werkstücks 5 geneigt
ist. Die Stützwalze 13 umfaßt eine
im Wesentlichen rechtwinklige Anlagekante 15.
-
Wie
in 3 ersichtlicht ist, bilden eine Radialseite 17 und
eine spitzwinklige Stirnseite 19 der Spaltwalze 9 sowohl
in Radialrichtung als auch in Axialrichtung einen gleichen Winkel α, der etwa
10° beträgt. An der
Eindringperipherie 11 ist die Spaltwalze 9 abgeflacht.
Auf diese Weise werden keine kritischen Spannungsdruckspitzen in
der Umformzone des Werkstücks 5 erzeugt.
-
Um
eine im wesentlichen axial erstreckende Abzweigung von dem Werkstück 5 zu
formen, dringt die Spaltwalze 9 axial in das Material in
einer bestimmten Eindringtiefe und wird in radialer Richtung von
radial außen
nach radial innen gemäß des Pfeils Z
zugestellt. Wie in 2 ersichtlich ist, wird dabei eine
Umformzone gebildet, aus der je länger der Zustellweg die Abzweigung 21 wächst. Die
Abzweigung 21 liegt zwischen den benachbarten Stirnseiten 17, 22 der
Spaltwalze 9 und der Stützwalze 13.
-
In 3 sind
die Spannungsverläufe
innerhalb der Umformzone des Werkstücks im Bereich von Kontaktbelastungsflächen aufgezeigt.
Dabei ist ersichtlich, daß die
Umformzone im wesentlichen von drei Seiten, nämlich der Spaltwalze 9,
der Stützwalze 13 und
dem Dorn 3, mit einem im wesentlichen gleich verteilten
Druck beaufschlagt ist. Zugspannungen, die sich beim Spalten ergeben,
werden durch die Druckspannungen deutlich ausgeglichen.
-
In 4 ist
in einer schematischen Seitenschnittansicht der Zustellweg der Spaltwalze 9 und der
Stützwalze 13 von
radial außen
nach radial innen gezeigt, wobei die Spaltwalze gegenüber der
Stützwalze
radial außen
liegt. 4 macht insbesondere die Eindringtiefe t der Spaltwalze 9 deutlich
sichtbar.
-
In 5 ist
eine Weiterbildung der Erfindung ersichtlich, bei dem das Spaltfließformen
mit einer Spaltwalze 9 und einer dieser zugeordneten Stützwalze 13 optimiert
ist und ein Zustell weg von radial innen nach radial außen ermöglicht,
was durch Pfeile P veranschaulicht ist. Diese zusätzliche
Zustelloption wird wegen eines zwischen den beiden Walzen 9, 13 angeordneten
Stauchring 23 erreicht, der, je länger der Zustellweg wird, entsprechend
in axialer Richtung a relativ zum Werkstück verlagert, was durch den
Pfeil Q veranschaulicht sein soll. Der Stauchring 23 kontrolliert
die Stärke
der Abzweigung 21, indem Druckkräfte in das freie Ende 27 der
Abzweigung 21 eingeleitet werden. Auch der Stauchring 23 dreht
sich um eine nicht dargestellte Drehachse, und rollt so dabei im
Wesentlichen an dem freien Ende 27 der Abzweigung 21 ab.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Fließspaltanordnung 1 gemäß 5 ist
es nunmehr auch möglich, eine
axiale Zustellung der Spaltwalze längs des zylindrischen Außenmantels
des Werkstücks 5 zuzulassen.
Die Richtung der möglichen
Zustellrichtung hängt
von der Position der Spaltwalze 9, die der Längsbewegung
der Abzweigung 21 nachläuft.
-
Es
zeigte sich, daß Abzweigungen,
wie Flansche am äußeren Rand
des Werkstücks 5,
die sich weit von dem Werkstück
weg erstrecken, und radiale Ringvorsprünge, wie sie in den 6 und 7 dargestellt
sind, nur dann wiederholbar und qualitativ hochwertig herstellbar
sind, wenn zur Kontrolle des Wachstums ein Stauchring 23 eingesetzt
wird, der dosiert dem Wachstum der Abzweigung 21 entgegen wirkt.
-
In 8 ist
beispielhaft eine erfindungsgemäße Fließspaltwalzmaschine
dargestellt, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 31 versehen
ist. Die Fließspaltwalzmaschine 31 umfaßt einen
Elektromotor 33, der dazu da ist, den das Werkstück 5 haltenden
Dorn 3 rotieren zu lassen. Benachbart der Radialfläche 35 des
Werkstücks 5 ist
eine paarweise Anordnung aus der Spaltwalze 9 und der Stützwalze 13 vorgesehen.
Auf der dem Werkstück 5 abgewandten Seite
der Walzenanordnung ist ein Antrieb 37 für die Stützwalze 13 vorgesehen,
wobei seitlich daneben der Antrieb 39 der Spaltwalze 9 angeordnet
ist. Die Antriebseinrichtung 39 steht mit Zylinderhubvorrichtungen 41, 43 in
Verbindung.
-
Eine
erste Zylinderhubvorrichtung 41 ist für die radiale Zustellung der
Spaltwalze 9 verantwortlich. Eine zweite Hubzylindervorrichtung 43 ist
für den axialen
Vorschub vorgesehen, um eine Abzweigung in radialer Richtung an
dem Außenmantel
des Werkstücks 5 zu
erzeugen.
-
In
der in 6 gezeigten Fließspaltenwalzenmaschine 31 ist
kein Stauchring ersichtlich, der allerdings durchaus integriert
werden und mit einem eigenen Antrieb zwischen der Stützwalze 13 und
der Spaltwalze 9 versehen sein kann.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung
der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
-
- 1
- Fließspaltanordnung
- 3
- Dorn
- 5
- Werkstück
- 7
- Bodenteil
- 8
- Endstück
- 9
- Spaltwalze
- 11
- spitzwinklige
Eingriffsperipherie
- 13
- Stützwalze
- 15
- Anlagekante
- 17
- Radialseite
- 19,
22
- Stirnseite
- 21
- Abzweigung
- 23
- Stauchring
- 27
- freies
Ende
- 31
- Fließspaltwalzmaschine
- 33
- Elektromotor
- 35
- Radialfläche
- 37,
39
- Antrieb
- 41,
43
- Zylinderhubvorrichtung
- t
- Eindringtiefe
- D,
E
- Drehachse
- P,
Q, Z
- Pfeil
- R
- Rotationsachse
- α
- Neigungswinkel