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Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils aus einem metallischen Rohr gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Andererseits richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Merkmalen in den Oberbegriffen der Ansprüche 2 und 3.
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Ein Torsionsprofil der in Rede stehenden Art ist aus der
DE 196 53 959 C1 bekannt. Es bildet in der Regel mindestens mittelbar einen Bestandteil einer Verbundlenkerachse.
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Bei der Herstellung eines derartigen Torsionsprofils wird bislang meistens ein zweistufiger Umformprozess angewandt. In einer Vorstufe werden zunächst zylindrische Stützdorne in die Rohrenden eines metallischen Rohrs, insbesonders ein Stahlrohr, eingefahren. Hierbei liegt das Rohr in einer nach oben offenen Aufnahmeschale. Die Rohrenden sind so eingespannt, dass eine leichte Spielpassung in ihren Führungen vorhanden ist. Nach dem Einfahren der Stützdorne in die Rohrenden wird ein sich in Längsrichtung des Rohrs erstreckender, quer zum Rohr beweglicher Schwertstempel auf den mittleren Längenbereich des Rohrs abgesenkt und zwar so weit, bis dieser U-förmig gemuldet ist. Auf diese Weise wird zwischen den Rohrenden ein doppelwandiger Abschnitt gebildet. Die Übergangsabschnitte zwischen den Rohrenden und dem U-förmig gemuldeten mittleren Längenbereich gehen dabei kontinuierlich vom kreisrunden zum U-förmigen Querschnitt über.
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In einer Endformstufe wird dann in einem weiteren Werkzeug die Endgeometrie des Torsionsprofils geprägt.
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Lebensdauertests haben gezeigt, dass die Übergangsabschnitte zwischen dem mittleren Längenbereich und den Rohrenden Schwachstellen des Torsionsprofils sind. Auf Grund der muldenförmigen Prägung des mittleren Längenbereichs entstehen in den Übergangsabschnitten starke Zugbeanspruchungen, die hier zu Mikrorissen führen können. Diese Defekte werden bislang nachträglich mit kostenintensivem Kugelstrahlen behandelt, um Druckeigenspannungen in die Materialoberfläche einzubringen.
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Was den Stand der Technik der
DE 195 30 055 A1 betrifft, so wird ein Rohr mittels des Innenhochdruck-Umformverfahrens mit einer domartigen Abzweigung versehen. Hierbei wird Material von den Rohrenden her in Richtung zur Abzweigung nachgeschoben. Dazu werden die Rohrenden mit axialem Druck beaufschlagt. Das zu verformende Rohr ist vor der Verformung einlagig und bleibt auch nach der Verformung einlagig.
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Die
DE 196 22 372 B4 befasst sich mit einem Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen aus einem hohlkörperförmigen Werkstück unter axial erfolgendem Nachschieben von Werkstoff mit Hilfe des Innenhochdruck-Umformverfahrens. Mit diesem Verfahren sollen die Nocken der einlagigen Nockenwelle einzeln oder paarweise von der Wellenmitte zu den Wellenenden hin nacheinander ausgeformt werden.
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Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen mit Erreichen eines günstigeren Umformprozesses eine Lebensdauersteigerung erzielt sowie eine Kostenreduzierung durch Entfall des Kugelstrahlprozesses erreicht werden können.
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Was die Lösung des verfahrenstechnischen Teils dieser Aufgabe anlangt, so besteht diese in den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Danach wird nunmehr dafür Sorge getragen, dass während der U-förmigen Muldung des mittleren Längenbereichs des Rohrs mittels des Schwertstempels gleichzeitig die Rohrenden mit axialem Druck beaufschlagt werden. Das Material der Rohrenden wird gewissermaßen mit dosierten Axialdrücken in Richtung auf den Schwertstempel nachgeschoben mit dem Ergebnis, dass eine Wanddickenreduzierung in den Übergangsabschnitten verhindert wird und es damit nicht mehr in der Folge von Kerbwirkungen zu Spannungsrissen kommen kann.
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Da die der Aufnahmeschale abgewandten Bereiche der Übergangsabschnitte bei der Verformung mittels des Schwertstempels höheren Beanspruchungen ausgesetzt sind als die der Aufnahmeschale zugewandten Bereiche, werden nur die der Aufnahmeschale abgewandten Umfangsabschnitte der Stirnflächen der Rohrenden mit axialem Druck beaufschlagt. Hiermit wird dem möglichen Entstehen von Mikrorissen wirksam entgegengetreten. Die Lebensdauer des Torsionsprofils wird deutlich erhöht. Eine Nachbehandlung der Übergangsabschnitte mittels eines Kugelstrahlprozesses ist nicht mehr erforderlich.
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Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3.
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Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtungen sind Gegenstand der Ansprüche 4 und 5.
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Die Führungen für die Rohrenden werden jetzt von der Aufnahmeschale für das Rohr sowie von die Rohrenden übergreifenden Haltebacken gebildet, zwischen denen und der Aufnahmeschale die Rohrenden mit geringem Spiel (Gleitspiel) axial geführt sind. Stirnseitig der Führungen sind hülsenförmige Nachdrückwerkzeuge angeordnet, die vor der Verlagerung des Schwertstempels bis zur Anlage an den Stirnflächen der Rohrenden gebracht werden. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die Nachdrückwerkzeuge so verschiebetechnisch mit den Stützdornen gekoppelt sind, dass die Stützdorne sich bereits in den Rohrenden befinden, wenn die Nachdrückwerkzeuge an den Stirnflächen der Rohrenden anliegen. D. h., die Nachdrückwerkzeuge können unabhängig von den Stützdornen verlagert werden. Bei der anschließenden Verlagerung des Schwertstempels mit U-förmiger Muldung des mittleren Längenbereichs des Rohrs werden gleichzeitig die Nachdrückwerkzeuge mit dosierten Axialdrücken beaufschlagt, so dass Rohrmaterial aus den Rohrenden in die Übergangsabschnitte verschoben wird und in diesen Kerbrisse vermieden werden.
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In diesem Zusammenhang kann es gemäß einer ersten Variante der Vorrichtung vorteilhaft sein, wenn die den Stirnflächen der Rohrenden zugewandten Frontseiten der Nachdrückwerkzeuge etwa im Höhenbereich der horizontalen Mittellängsebenen der Stützdorne gestuft ausgebildet sind. Dieser Sachverhalt führt dazu, dass die Nachdrückwerkzeuge im Wesentlichen lediglich diejenigen Umfangsbereiche der Rohrenden stirnseitig belasten, welche bei der Umformung des mittleren Längenbereichs am stärksten beansprucht werden.
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Es ist entsprechend einer zweiten Variante der Vorrichtung aber auch möglich, die den Stirnflächen der Rohrenden zugewandten Frontseiten der Nachdrückwerkzeuge etwa im Höhenbereich der Aufnahmeschale abzuschrägen. Auf diese Weise gelangen ebenfalls nur die der Aufnahmeschale abgewandten Umfangsabschnitte der Nachdrückwerkzeuge mit den Rohrenden in Kontakt.
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Den Nachdrückwerkzeugen können doppelt wirkende Zylinder zugeordnet sein. Diese Zylinder, die hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagbar sind, verlagern folglich die Nachdrückwerkzeuge aktiv in beide Richtungen. Die Zylinder mit den Nachdrückwerkzeugen sowie die Stützdorne sind jedoch gemeinsam in Längsrichtung des Rohrs bzw. des Torsionsprofils verlagerbar.
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Denkbar ist es aber auch, dass die auf die Nachdrückwerkzeuge einwirkenden Axialdrücke von einfach wirkenden Zylindern erzeugt werden, wobei die Stützdorne in den Nachdrückwerkzeugen geführt und über Druckfedern mit diesen gekoppelt sind. Hierbei wird mit Hilfe der ebenfalls hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagbaren Zylinder lediglich ein aktiver Axialdruck in Richtung auf die Rohrenden ausgeübt, während die Druckfedern nach dem Ende des Umformvorgangs und Entlastung der Zylinder die Nachdrückwerkzeuge wieder in die Ausgangsposition zurück verlagern. Bei dieser Ausführungsform erfolgt ebenfalls eine gemeinsame Verlagerung der Stützdorne und der Nachdrückwerkzeuge vor der Umformung eines Rohrs bzw. nach der Fertigstellung eines Torsionsprofils.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in der Perspektive ein Torsionsprofil für eine Verbundlenkerachse;
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2 einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 1 entlang der Linie II–II in Richtung der Pfeile IIa gesehen;
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3 im schematischen vertikalen Längsschnitt eine Umformvorrichtung zur Herstellung eines Torsionsprofils gemäß einer ersten Ausführungsform;
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4 den Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter Darstellung in der Ausgangsposition der Umformvorrichtung;
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5 den Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter Darstellung nach dem Umformen des Rohrs;
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6 den Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter Darstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform einer Umformvorrichtung vor der Bearbeitung des Rohrs und
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7 den Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter Darstellung gemäß der zweiten Ausführungsform nach dem Umformen des Rohrs.
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In den 1 und 2 ist mit 1 ein Torsionsprofil für eine ansonsten nicht näher veranschaulichte Verbundlenkerachse eines Personenkraftwagens bezeichnet.
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Das Torsionsprofil 1 ist aus einem ursprünglich kreisrunden Rohr 2 hergestellt (3), dessen Querschnitt in den Endabschnitten 3 des Torsionsprofils 1 über die Länge a aufrechterhalten wurde.
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Die kreisrunden Querschnitte gehen in Übergangsabschnitten 4 mit der Länge b kontinuierlich in einen U-förmig gemuldeten, doppelwandigen mittleren Längenbereich 5 über, der sich über die Länge c des Torsionsprofils 1 erstreckt und mittels einer nachfolgend noch näher erläuterten spanlosen Umformung hergestellt wird.
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Die 3 zeigt im vertikalen Längsschnitt im Schema eine Vorrichtung 6 zum Umformen eines im Querschnitt kreisrunden Rohrs 2 in ein Torsionsprofil 1 gemäß den 1 und 2.
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In den 4 und 5 ist zur Verdeutlichung jeweils nur eine Hälfte der Umformvorrichtung 6 veranschaulicht, und zwar einmal vor dem Umformen eines Rohrs 2 und einmal nach der Fertigstellung eines Torsionsprofils 1.
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Die Umformvorrichtung 6 umfasst zunächst eine in ihre Basis 7 eingearbeitete, nach oben offene Aufnahmeschale 8, welche an die Kontur des Rohrs 2 angepasst ist.
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Des Weiteren umfasst die Umformvorrichtung 6 die Rohrenden 9 übergreifende Haltebacken 10, die relativ zur Basis 7 in Richtung der Doppelpfeile 11 beweglich und auf ihren den Rohrenden 9 zugewandten Seiten 12 ebenfalls an deren Kontur angepasst sind. Diese Haltebacken 10 bewirken mit der Aufnahmeschale 8 sowohl, dass keine Verspannung der Rohrenden 9 erfolgt, als auch, dass eine geringe Spielpassung für die Rohrenden 9 gegeben ist. Das Rohr 2 kann sich folglich in Längsrichtung der Aufnahmeschale 8 relativ zu dieser und den Haltebacken 10 bewegen.
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In die Rohrenden 9 sind zylindrische Stützdorne 13 entsprechend den Pfeilen Pf einfahrbar. Die Stützdorne 13 sind über Dornstangen 14 mit doppelt wirkenden hydraulischen Zylindern 15 verbunden. Diese Zylinder 15 sind ferner über die Dornstangen 14 umfassende und an diesen geführte Verlängerungen 16 mit hülsenförmigen Nachdrückwerkzeugen 17 gekoppelt. Somit sind die Stützdorne 13 und die Nachdrückwerkzeuge 17 unabhängig voneinander verlagerbar. Die gemeinsam mit den Stützdornen 13 an Zwangsführungen 18 entlang verlagerbaren Nachdrückwerkzeuge 17 besitzen abgeschrägte oder auch abgestufte Frontseiten 19. Folglich liegen nur die der Aufnahmeschale 8 abgewandten Umfangsabschnitte 20 der Frontseiten 19 in der Ausgangsposition der Umformvorrichtung 6 gemäß den 3 und 4 an den Stirnflächen 21 der Rohrenden 9.
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Schließlich bildet noch ein Schwertstempel 22 einen Bestandteil der Umformvorrichtung 6. Der Schwertstempel 22 ist zwischen den Haltebacken 10 quer zum Rohr 2 relativ beweglich gelagert. Mit dem Schwertstempel 22 wird der mittlere Längenbereich 5 des Torsionsprofils 1 gemäß den 1 und 2 geformt.
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Nach der Lageorientierung des Rohrs 2 in der Umformvorrichtung 6 und der Positionierung der Stützdorne 13 in den Rohrenden 9 sowie der Nachdrückwerkzeuge 17 stirnseitig der Rohrenden 9 erfolgt eine Verlagerung des Schwertstempels 22 in Richtung auf das Rohr 2 gemäß dem Pfeil Pf1. Nach dem Kontakt des Schwertstempels 22 mit dem Rohr 2 werden gleichzeitig mit Hilfe der Zylinder 15 die Nachdrückwerkzeuge 17 dosiert mit den Drücken P gegeneinander bewegt. Hierdurch wird gemäß dem Pfeil Pf2 in 5 Material der Rohrenden 9 in den den Haltebacken 10 benachbarten Umfangsbereichen in Richtung auf den Schwertstempel 22 nachgeschoben. Auf diese Weise werden Wanddickenreduzierungen in den Übergangsabschnitten 4 zwischen dem mittleren Längenbereich 5 und den Rohrenden 9 mit der Gefahr von Rissbildungen vermieden.
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In der Endposition der Umformung des Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 (siehe 5) existiert folglich im mittleren Längenbereich 5 ein doppelwandiges Profil (2), während in den Rohrenden 9 der ursprüngliche kreisrunde Zustand erhalten geblieben ist. Es ist dabei in 5 ferner zu sehen, dass die Rohrenden 9 in den den Haltebacken 10 benachbarten Umfangsabschnitten 21 weiter in Richtung auf den Schwertstempel 22 verlagert sind als in den der Aufnahmeschale 8 benachbarten Umfangsabschnitten 23.
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Nach der Umformung des Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 wird der Schwertstempel 22 gemäß dem Pfeil Pf3 in 5 wieder vom Torsionsprofil 1 wegbewegt. Es werden dann die Haltebacken 10 von den Rohrenden 9 weg verlagert und es werden die Nachdrückwerkzeuge 17 zusammen mit den Stützdornen 13 von den Rohrenden 9 entfernt. Das fertige Torsionsprofil 1 kann aus der Aufnahmeschale 8 heraus gehoben werden.
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Die 6 und 7 zeigen im Schema eine weitere Umformvorrichtung 6a zur Hälfte entsprechend den Darstellungen der 4 und 5 mit nur einem Rohrende 9, jeweils in der Ausgangsposition (6) und in der Endposition (7).
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Die Umformvorrichtung 6a unterscheidet sich von derjenigen gemäß den 3 bis 5 zunächst dadurch, dass einfach wirkende hydraulische Zylinder 24 zum Einsatz gelangen. Diese stehen über Zylinderstangen 25 mit Drucktellern 26 in Verbindung, die ihrerseits mit hülsenförmigen Nachdrückwerkzeugen 17a verbunden sind, welche an ihren Frontseiten 19 dieselbe Ausbildung wie die Nachdrückwerkzeuge 17 gemäß den 3 bis 5 aufweisen. D. h., die Frontseiten 19 besitzen Umfangsabschnitte 20, welche an den der Aufnahmeschale 8 abgewandten Stirnflächenbereichen 21 der Rohrenden 9 zur Anlage gelangen.
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Die Druckteller 26 sind über Koppelstücke 27 relativbeweglich mit Stützdornen 13a verbunden. Zwischen den Stützdornen 13a und den Drucktellern 26 befinden sich Druckfedern 28. Außerdem sind die Stützdorne 13a mit radialen Nasen 29 versehen, die durch Aussparungen 30 in den Nachdrückwerkzeugen 17a ragen.
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In der in der 6 dargestellten Ausgangsposition der Umformvorrichtung 6a sind die Stützdorne 13a in die Rohrenden 9 eingefahren worden. Haben die Stützdorne 13a aufgrund des Kontakts der Nasen 29 mit Anschlägen 31 an der Basis 7 ihre Endlage erreicht, werden die gleichzeitig mit heran gefahrenen Nachdrückwerkzeuge 17a parallel zur Absenkung des Schwertstempels 22 auf das Rohr 2 von den Zylindern 24 mit den Drücken P gegen die Rückstellkraft der Druckfedern 28 weiter in Richtung auf den Schwertstempel 22 verlagert, wobei das Rohrmaterial in den der Aufnahmeschale 8 abgewandten Umfangsabschnitten der Rohrenden 9 gestaucht wird (Pfeil Pf2 in 7).
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Die Endposition ist erreicht, wenn der Schwertstempel 22 die Lage gemäß der 7 erreicht hat. Die Zylinder 24. werden dann entlastet und die Druckfedern 28 verlagern die Druckteller 26 mit den Nachdrückwerkzeugen 17a in die Position gemäß 6. Der Schwertstempel 22 wird nun wieder vom Torsionsprofil 1 weg bewegt und die Stützdorne 13a zusammen mit den Nachdrückwerkzeugen 17a vom Torsionsprofil 1 entfernt. Dies erfolgt entlang einer Zwangsführung 18, wie sie bereits anhand der 3 bis 5 beschrieben worden ist.
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Die zweite Umformvorrichtung 6a arbeitet genau wie die erste Umformvorrichtung 6, wobei lediglich die Nachdrückwerkzeuge 17a von den Zylindern 24 nicht aktiv nach Beendigung der Umformung des Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 zurück bewegt werden, sondern dass dies mittels der Druckfedern 28 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Torsionsprofil
- 2
- Rohr
- 3
- Endabschnitte v. 1
- 4
- Übergangsabschnitte v. 1
- 5
- mittlerer Längenbereich v. 1
- 6
- Umformvorrichtung
- 6a
- Umformvorrichtung
- 7
- Basis v. 6 u. 6a
- 8
- Aufnahmeschale in 7
- 9
- Rohrenden
- 10
- Haltebacken
- 11
- Pfeile
- 12
- Seiten v. 10
- 13
- Stützdorne
- 13a
- Stützdorne
- 14
- Dornstangen
- 15
- Zylinder
- 16
- Verlängerungen
- 17
- Nachdrückwerkzeuge
- 17a
- Nachdrückwerkzeuge
- 18
- Zwangsführungen f. 17 u. 13 bzw. 17a u. 13a
- 19
- Frontseiten v. 17 u. 17a
- 20
- Umfangsabschnitte v. 19
- 21
- Stirnflächen v. 9
- 22
- Schwertstempel
- 23
- Umfangsabschnitte v. 9
- 24
- Zylinder
- 25
- Zylinderstangen
- 26
- Druckteller
- 27
- Koppelstücke
- 28
- Druckfedern
- 29
- Nasen an 13a
- 30
- Aussparungen in 17a
- 31
- Anschläge an 7
- a
- Länge v. 3
- b
- Länge v. 4
- c
- Länge v. 5
- P
- Axialdruck
- Pf
- Pfeile
- Pf1
- Pfeil
- Pf2
- Pfeil
- Pf3
- Pfeil
