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Die
Erfindung betrifft eine Hydroform-Druckraumabdichtung für das Innenvolumen
eines rohr- oder topfförmigen
Rohlings mit mindestens einer endseitigen Öffnung, bestehend aus einem
den Rohling öffnungsseitig
abdichtenden Druckstück 2,
das stirnseitig auf der Öffnung
des Rohlings aufliegend über
einen Stößel 3 nachschiebbar
angeordnet ist, wobei das Rohlingsende 4 und das Druckstück 2 in einer
Endenaufnahme 1 einer Hydroformanlage angeordnet sind und
wobei das Innenvolumen 6 des Rohlings mit erhöhtem Innendruck
P beaufschlagbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Herstellung einer Hydroform-Druckraumabdichtung.
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Hydroformen
ist eine Umformmethode für Hohlkörper, sog.
Rohlinge. Üblicherweise
wird das Hydroformen bei längserstreckten
Rohlingen, vorzugsweise bei Rohren, verwendet. Die Rohlinge werden
hierbei in eine ausgeformte Matrize größeren Volumens eingelegt. Die
Rohlings-Enden weisen Öffnungen
auf und werden in Enden-Aufnahmen
der Matrize bündig
eingesetzt. Zunächst
wird das Innenvolumen des Rohlings mit einem hydraulischen Medium
gefüllt.
Die Öffnungen
des Rohlings werden nachfolgend mit Stempeln oder Druckstücken verschlossen.
Die Druckstücke
werden in die Enden-Aufnahmen der Matrize eingefahren, bis sie den Rohling
umlaufend druckdicht verschließen.
Druckdicht bedeutet hierbei, dass eine durchgehende, Dichtfläche im Randbereich
ausgebildet wird. Für
die Verformung des Rohlings, dessen Dicke als Wandstärke bezeichnet
wird, spielt die Festigkeit des Rohlingsmaterials vor der Umformung
eine wesentliche Rolle.
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Im
eigentlichen Umformprozess wird das hydraulische Medium – im folgenden: „Fluid" bezeichnet – mit hohem
Druck beaufschlagt. Der Druck bewirkt ein Kaltfließen des
Rohlingsmaterials. Dabei wird das Rohlingsmaterial nach außen gedehnt,
bis der Rohling die Matrize vollständig ausfüllt.
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Um
hohe Umformgrade zu erreichen, wird das Material mit Kraft möglichst
bis in die Bereiche der größten Umformung
geschoben. Hierbei werden die Rohlingsenden aus der Enden-Aufnahme
heraus zur Rohlingsmitte hin bewegt. Die von der Stempelfläche weg
gerichtete Bewegung wird durch Nachschieben der die Öffnungen
druckdicht verschließenden
Druckstücke
realisiert, bis der Umformprozess abgeschlossen ist. Anschließend wird
der Druck abgebaut, die Druckstücke
werden zurückgefahren
und der ausgeformte Rohling wird der Matrize entnommen.
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Problematisch
ist die druckdichte Auflage der jeweiligen Stirnflächen auf
den Rohlings-Öffnungen
während
des gesamten Umformprozesses. Insbesondere während der Längskontraktion kann es zum
Austreten von hydraulischem Fluid sowie einem damit einhergehenden
Druckverlust kommen. Eine nicht druckdichte Auflage ist vor allem
bei einer nicht exakt plan zur Stirnfläche angeordneten Rohlingsöffnung möglich. In
diesem Fall wird der hohe Druck im Fluid verringert und die damit
erzeugte Verformung des Rohlings in die Matrize unterbrochen. Als
Folge wird der Rohling nicht richtig ausgeformt und im Extremfall
kann die Matrize beschädigt
werden. Somit führen
nichtdruckdichte Stempelauflagen zu einem erhöhten Ausschuss, gesteigertem
Materialverbrauch sowie teuren Reparaturkosten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hydroform-Druckraumabdichtung
anzubieten, welche eine verbesserte, druckdichte Auflage der Stirnfläche des
Druckstücks
auf der Rohlings-Öffnung
ermöglicht
und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die zuvor geschilderten
Nachteile bei der Hydroformabdichtung vermieden werden können.
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Ein
weiterer Aspekt der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Druckstück
für Hydroformanlagen
anzubieten, das auch bei nicht exakt plan zur Stirnfläche angeordneten Öffnungsrändern des Rohlings
und/oder bei nicht exakt planparalleler Ausrichtung der Stirnseiten
eine druckdichte Auflage bereitstellt.
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Ein
weiterer Aspekt der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein
Verfahren zur Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckstücks anzubieten.
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Die
Lösung
dieser Aufgaben erfolgt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der
nachfolgenden Beschreibung.
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Wesentlich
im Sinne der vorliegenden Erfindung war die Erkenntnis, dass die
Qualität
der Abdichtung im Bereich der Stirnfläche des Druckstücks durch
eine Flächenpressung
mit einer Kraftkomponente quer zur Bewegungsrichtung des Stempels wesentlich
verbessert werden kann. Die Erfinder setzten diese Erkenntnis konstruktiv
mit einer Kegelfläche
A auf der zum Rohling hinweisenden Stirnfläche des Druckstücks um.
Hierbei erstreckt sich die Kegelfläche nicht über die gesamte Stirnfläche, die am äußeren Umfang
noch eine Planfläche 7 aufweist.
Während
die schrägen
Seiten der Kegelfläche A
in ihrer Erstreckung quer zur Bewegungsrichtung des Druckstücks bis
in die Öffnung
des Rohlings hineinreichen und damit beim Einfahren des Druckstücks die
Spitze des Kegelstumpfes in das Innenvolumen des Rohlings eintaucht,
wird die Planfläche 7 auf
die Aussenkante der Rohlingsöffnung
aufgesetzt.
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Beim
Anpressen des Druckstücks
kommt es zu einer plastischen Verformung des Öffnungsrandes quer zur Einfahr-Richtung
des Druckstücks.
Des Weiteren erfährt
der Rohling entlang seiner Außenfläche C im
Bereich der Öffnung
eine Pressung an die Innenfläche
der Enden-Aufnahme der Hydroformanlage, so dass ein Presssitz entsteht.
Dabei wird eine Dichtfläche
C erzeugt, bei der die äußeren Rohrenden
in der Enden-Aufnahme
glattkalibriert werden. Zur Verbesserung der Dichtfläche können die
Rohrenden bzw. die Oberflächen
der Rohrendenaufnahme geschliffen, gehärtet, poliert und hartbeschichtet werden.
Hierdurch wird eine druckdichte Kontaktfläche zum Werkstück erzeugt.
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Während des
anschließenden
Umformprozesses wird das Druckstück
der Längskontraktion des
Rohlings entsprechend nachgeführt.
Durch die plastische Verformung des Randes der Rohlingsöffnung sowie
die damit verbundene Flächenpressung der
Rohlingsaußenfläche an die
Enden-Aufnahme wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Druckstücks eine Pressfläche mit
deutlich verbesserter, druckdichter Auflage bereitgestellt.
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Weiterhin
erlaubt ein erfindungsgemäß ausgestaltetes
Druckstück
vorteilhaft die Ausrichtung des Rohlings in der Enden-Aufnahme.
Ein Rohling, dessen Ende von der vorgegebenen Position abweichend
in der Enden-Aufnahme der Hydroformanlage positioniert ist, wird
während
des Einfahrens der Kegelfläche
durch die Anlage an den schrägen
Seiten bereits bei geringem Druck ausgerichtet. So kann zu Beginn
des Umformprozesses die exakt benötigte Rohlingsposition zuverlässig gewährleistet
werden. Gerade bei kreisförmigen
Rohlingsöffnungen,
wie sie bei rohrförmigen
Rohlingen anzutreffen sind, erlaubt die radialsymmetrische, Anordnung
als Kegelfläche und
der Planfläche 7 eine
einfache Ausrichtung des Rohlings in der Enden-Aufnahme.
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Beim
Einschieben des Rohrendes in die Enden-Aufnahme wird der Rohrdurchmesser
verringert, damit eine Pressung zwischen Rohr- und Endenaufnahme
auch ohne Druckstück
bereits vorliegt. Mit dem Druckstück wird die Pressung während des
Einfahrens des Stößels 3 in
die Enden-Aufnahme vergrößert und
damit ein Presssitz erzeugt, bei dem die Teile mit Vorspannung ineinandergefügt sind.
Es muss aber in jedem Fall vermieden werden, dass ein Pressschweißen auftritt,
da dann das Werkstück
in der Enden-Aufnahme frisst und dies zu einer Beschädigung oder
Zerstörung
des Werkstücks
oder der Enden-Aufnahme sowie zum Blockieren der Nachschiebeeinrichtung
führen
kann. Die Geometrie des Druckstückes
in Form der Konus- und Ringplanfläche wird dagegen so eingestellt,
dass eine Abdichtung durch ein Glattkalibrieren erfolgt, das an
den äußeren Rohrenden
in der Enden-Aufnahme plane Kontaktflächen im Bereich der Rauigkeitsspitzen
erzeugt. Gefördert
wird dies durch Schleifen, Härten, Polieren
und Hartbeschichten der Rohrendenaufnahme, die erfindungsgemäß vor dem
Zusammenfügen von
Rohling und Druckstück
bei der Herstellung einer Hydroform-Druckraumabdichtung erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Hydroform-Druckraumabdichtung
besteht darin, dass das Druckstück
mit seiner kegelflächigen
Ausformung in die Rohlingsöffnung
eingefahren wird und dabei ein Druck aufgebracht wird, der im Bereich
der Fließgrenze
des Materials liegt. Hierdurch wird der Rohling im Bereich der Innenkante
der Rohlingsöffnung
plastisch deformiert und eine Pressfläche E zwischen der Kegelfläche A und
den Innenkante der Rohlings-Stirnseite ausgebildet. Wenn im nachfolgenden
Umformprozess das Innenvolumen 6 mit einem Innendruck P beaufschlagt
wird, reicht die Flächenpressung
zwischen der Kegelfläche
A und der Rohlings-Stirnseite aus, um den Austritt von unter Druck
stehendem Fluid an der Pressfläche
E zu verhindern. Dies wird noch durch die zweite Pressfläche C unterstützt, die
als Kalibrierfläche
zwischen der Außenkante
des Rohlings und der Enden-Aufnahme 1 angeordnet
ist.
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Zusätzliche
Vorteile sind bei rohrförmigen, längs erstreckten
Rohlingen erzielbar, wenn das Druckstück 2 eine Kegelfläche A und
eine Planfläche 7 radial
symmetrisch zur Stempelachse aufweist, die als ringförmige Anpressfläche für das Rohlingsende ausgebildet
ist. In diesem Fall besteht die stirnseitige Kontur des Druckstücks 2 aus
einer Konus- und Ringplanfläche 7,
die im wesentlichen parallel zur Stirnfläche des Rohlings ausgerichtet
ist. Die Breite der Ringplanfläche 7 beträgt vorzugsweise
50 bis 70 % der Wandstärke
des Rohlings. Die Festigkeit des Druckstücks 2 im Bereich der
Konus- und Ringplanfläche
sollte in jedem Fall deutlich oberhalb der Festigkeit des Rohlings
liegen, um möglichst
hohe Standzeiten zu erreichen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles,
veranschaulicht in der 1.
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1 veranschaulicht
schematisch ein erfindungsgemäßes Druckstück 2,
angeordnet in einer Enden-Aufnahme 1 einer Hydroformanlage.
Das Nachführen
des Druckstück 2 erfolgt
hier über
einen Stößel 3,
welcher mit Kraft beaufschlagt wird. Ein Rohling 4 ist
hierbei in der Enden-Aufnahme 1 angeordnet und sein Innenvolumen 6 wird
mit einem Innendruck P beaufschlagt. Unter teilweise plastischer Deformation
wird zunächst
durch Druckbeaufschlagung über
den Stößel 3 eine
Pressfläche
E zwischen der Seite der Kegelfläche
A und der Innenkante der Stirnseite des Rohlings ausgebildet, bis
die Stirnseite der Rohlings-Öffnung
auf der Planfläche 7 des Druckstücks 2 aufsetzt.
In der hier gewählten
Ausführungsform
liegen Basis B der Kegelfläche
und Planfläche 7 des
Druckstücks 2 in
einer Ebene. Durch die plastische Deformation der Rohlings-Öffnung entlang ihrer
Innenkante wird eine Pressfläche
C zwischen der Außenfläche des
Rohlings und der Innenfläche der
Enden-Aufnahme ausgebildet. Im anschließenden Umformprozess erfolgt
entlang der Pressfläche E
die erfindungsgemäße, druckdichte
Auflage des Druckstücks
auf der Rohlingsöffnung. Über die
Planfläche 7 in
Kombination mit der Pressfläche
C wird die unkontrollierte, plastische Deformation des Randbereichs
der Rohlingsöffnung
während
des Nachführens
des Stempels 2 verhindert. Nach der Umformung durch erhöhten Druck
P wird der Druck abgesenkt, der Stößel 2 zurückgefahren
und der umgeformte Rohling entnommen. Die so umgeformten Rohlinge
weisen glatte, maßhaltige Öffnungsränder auf
und können
ohne zusätzliches
Bearbeiten wie z. B. Entgraten oder Nachformen weiter verarbeitet werden.
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Die
vorliegende Erfindung erstreckt sich im Sinne ihres Kerngedankens
auf Ausführungsformen und
Verwendungen welche sowohl einzelne als auch mehrere Merkmale und
Vorteile wie vorbeschrieben verwirklichen und ist nicht auf das
Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sehen.
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- 1
- Enden-Aufnahme
- 2
- Druckstück
- 3
- Stößel
- 4
- Rohling
- 5
- –
- 6
- Innenvolumen
- 7
- Planfläche
- A
- Kegelflanke
- B
- Basis
- C
- Erste
Pressfläche
- E
- Zweite
Pressfläche
- P
- Innendruck