DE102007007330A1 - Verfahren und Werkzeuganordnung zum Explosionsumformen - Google Patents
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Abstract
Mit der Erfindung soll eine Werkzeuganordnung und Verfahren zum Explosionsumformen eines Werkstücks mittels Gasexplosion, bei welchem das Werkstück in einem Aufnahmeraum eines Formwerkzeugs angeordnet wird, wobei der Aufnahmeraum wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt wird und die Explosion durch Zünden eines explosiven Gasgemisches ausgelöst wird, dahingehend verbessert werden, dass die Werkzeuganordnung sowie das Verfahren für die Massenproduktion geeignet und vereinfacht sind. Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeuganordnung und ein Verfahren zum Explosionsumformen eines Werkstücks mittels Gasexplosion, bei welchem das Werkstück in einem Aufnahmeraum eines Formwerkzeugs angeordnet wird, wobei der Aufnahmeraum wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt wird und die Explosion durch Zünden eines explosiven Gasgemisches ausgelöst wird, gelöst, bei welchem das explosive Gasgemisch vor dem Zünden wenigstens teilweise über der Flüssigkeitsoberfläche vorgesehen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Werkzeuganordnung zum Explosionsumformen mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 13.
- Bei einem aus der
CH 409 831 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Werkzeuganordnung zum Explosionsumformen der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass das Verfahren und die Werkzeuganordnung vereinfacht und für die Massenproduktion geeignet sind.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Das Vorsehen des Gasgemisches wenigstens teilweise über der Flüssigkeitsoberfläche gewährleistet eine leichte und rasche Zufuhr des Gasgemisches. Obwohl das Gasgemisch hier oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet, also von dem zu verformenden Werkstück relativ weit beabstandet ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dennoch ein gutes Umformergebnis erzielt werden. Die Explosion des Gasgemisches und damit die Entstehung einer Detonationsfront erfolgt hier zunächst oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Kraft- bzw. Energieübertragung über die Phasengrenze Gas-Flüssigkeit hinweg ausreichend gut ist, um ein gutes Umformergebnis zu erzielen. Durch das teilweise Befüllen des Aufnahmeraums mit Flüssigkeit, welche als Druckübertragungsmedium dient, kann die benötigte Gasmenge reduziert werden. Im Gegensatz zum Explosionsumformen ohne Flüssigkeit, werden Verbrennungen des Werkstücks weitgehend vermieden. Durch die hohen Taktzeiten in heutigen Produktionsprozessen erreicht das Formwerkzeug relativ rasch hohe Temperaturen. Die sich in dem Aufnahmeraum befindende Flüssigkeit kann so nicht nur als Druckübertragungsmedium sondern auch der Kühlung dienen.
- In einem günstigen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Gasgemisch unmittelbar an die Flüssigkeitsoberfläche angrenzen. Obwohl die Detonationsfront in diesem Fall ungehindert auf die Flüssigkeitsoberfläche aufschlägt, wird durch die unmittelbare Anlage des Gases an der Flüssigkeitsoberfläche wird eine gute Kraftübertragung über die Phasengrenze Gas-Flüssigkeit hinweg erreicht.
- Vorteilhafterweise kann der Aufnahmeraum über ein Ventil mit Flüssigkeit befüllt werden. Dies gewährleistet eine gute Steuerung des Befüllvorgangs sowie eine präzise Dosierung der Flüssigkeitsmenge.
- In einer Variante der Erfindung kann das Gasgemisch wenigstens teilweise durch die Flüssigkeit hindurchgeleitet werden. Je nach Gasgemisch können dadurch bei ansonsten gleichbleibender Gasmenge höhere Drücke erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass das Gas in Folge des Hindurchleitens durch die Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser in einem Zustand ist, in welchem eine Zündung des Gases zu einem deutlich höheren Explosionsdruck führt. Dadurch resultiert auch ein höherer auf das Werkstück wirkender Umformdruck.
- Bei einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann sich der Aufnahmeraum wenigstens teilweise durch einen vorgeformten Werkstückhohlraum erstrecken, in welchem sich die Detonationsfront ausbreitet. Die sich im Innern des Werkstücks ausbreitende Detonationsfront kann so die Wandung des Werkstücks gut umformen. So lassen sich z. B. rohrartige Werkstücke gut fertigen.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Werkstück in einem Werkstückhaltebereich, an welchem das Werkstück in dem Formwerkzeug gehalten ist, mit Flüssigkeitgefüllt werden. So werden auch die in der Werkzeuganordnung gehaltenen Enden des Werkstücks vor Verbrennungen geschützt. In dem Werkstückhaltebereich sind Schnitt- bzw. Kontaktstellen vorhanden z. B. zwischen dem Werkstück und dem Formwerkzeug, welche während des Explosionsumformprozesses dicht halten müssen. Durch das Bedecken dieser Schnittstellenbereiche mit Flüssigkeit kann die konstruktive Ausgestaltung dieser Bereiche vereinfacht werden. Eine flüssigkeitsdichte Schnittstelle ist einfacher und kostengünstiger herzustellen als z. B. eine gasdichte.
- Vorteilhafterweise kann der gesamte Werkstückhohlraum vollständig mit Flüssigkeit befüllt werden. Dadurch werden große Flächen des Werkstücks vor Verbrennungen geschützt bei gleichzeitig guter Kraftübertragung.
- Günstigerweise kann ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Werkstückhohlraum wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch gefüllt werden. Dies gewährleistet ein einfaches und schnelles Befüllen mit dem Gasgemisch.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Hohlraum, welcher beabstandet zu dem eingebrachten Werkstück ist, wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch gefüllt werden. So kann selbst bei vollständig mit Flüssigkeit befülltem Aufnahme- bzw. Werkstückhohlraum eine ausreichend große Gasmenge aufgenommen werden, um eine gute Explosion sowie Ausbreitung der Detonationsfront zu gewährleisten.
- In einer Variante der Erfindung kann der Aufnahmeraum durch Tauchen des Werkstücks in ein Flüssigkeitsbad mit Flüssigkeit befüllt werden. Die Flüssigkeitsbefüllung des Werkstücks kann so z. B. schon vor dem Einbringen des Werkstücks in dem Aufnahmeraum des Formwerkzeugs erfolgen. Diese einfache Art des Befüllens gewährleistet gute Taktzeiten. Innerhalb des Produktionsprozesses kann das Flüssigkeitsbad zugleich als Puffer für weiterzuverarbeitende Werkstücke dienen.
- Vorteilhafterweise kann das Verhältnis von explosivem Gas zu Flüssigkeit etwa 1:10 bis 1:20, vorzugsweise 1:2 bis 1:15, und insbesondere 1:3 bis 1:10 betragen. Dieses Verhältnis gewährleistet eine für das Umformen ausreichend große Explosionskraft sowie eine gute Ausbreitung der Detonationsfront auch über die Phasengrenze hinweg.
- Vorteilhafterweise kann die Zündung des Gasgemisches außerhalb des Werkstückhohlraums erfolgen. So kann der Flüssigkeitsstand im Aufnahmeraum den Produktionserfordernissen angepasst werden. Auch maximale Flüssigkeitsstände wie z. B. ein vollständiges Bedecken des Werkstücks mit Flüssigkeit sind so möglich.
- Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner vorrichtungsseitig gehst durch eine Werkzeuganordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
- Die Anordnung des explosiven Gasgemisches wenigstens teilweise über der Flüssigkeitsoberfläche, erlaubt ein leichtes und rasches Befüllen. Zugleich ist eine gute Übertragung der Explosionskraft bzw. der Detonationsfront über die Phasengrenze hinweg möglich. Obwohl das Gasgemisch hier über der Wasseroberfläche angeordnet ist, wird ein gutes Umformergebnis erzielt.
- Vorteilhafterweise kann das Gasgemisch unmittelbar an die Flüssigkeitsoberfläche angrenzen. Die unmittelbare und ungehinderte Berührung des Gasgemisches mit der Flüssigkeitsoberfläche gewährleistet eine gute Kraftübertragung.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Aufnahmeraum über ein Ventil mit Flüssigkeit befüllbar sein. Dies erlaubt eine gute Steuerung des Befüllvorgangs und eine gute Dosierung der Flüssigkeitsmenge.
- In einer Variante der Erfindung kann ein Gasanschluss unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche vorgesehen sein. So kann das Gasgemisch durch die Flüssigkeit hindurch in den Aufnahmeraum geleitet werden. Dies erlaubt, je nach Gasgemisch, höhere Umformdrücke bei gleicher Gasmenge.
- Günstigerweise kann sich der Aufnahmeraum wenigstens teilweise durch einen vorgeformten Werkstückhohlraum erstrecken. So kann sich die Detonationsfront auch im Innern des Werkstücks ausbreiten.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Werkstück in einem Werkstückhaltebereich, an welchem das Werkstück in dem Formwerkzeug gehalten ist mit Flüssigkeit gefüllt sein. So werden auch die in dem Formwerkzeug gehaltenen Enden des Werkstücks vor Verbrennungen geschützt. Zugleich lassen sich durch diese Anordnung die konstruktiven Anforderungen an die Dichtheit der in dem Werkzeughaltebereich liegenden Schnittstellen, wie z. B. der Schnittstelle Werkstück-Formwerkzeug, reduzieren. Flüssigkeitsdichte Schnittstellen sind konstruktiv einfacher zu realisieren als z. B. gasdichte Schnittstellen.
- Vorteilhafterweise kann der gesamte Werkstückhohlraum, vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein. Dadurch befindet sich ein Großteil der Werkstückfläche unter der Flüssigkeit und ist somit vor Verbrennungen geschützt.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Werkstückhohlraum wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch gefüllt sein. Dies gewährleistet ein leichtes Befüllen mit dem Gasgemisch.
- Günstigerweise kann ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Hohlraum, welcher beabstandet zu dem eingelegten Werkstück ist, wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch gefüllt sein. Dieser Hohlraum gewährleistet die Aufnahme einer ausreichend großen Gasmenge und somit eine gute Explosion und Ausbreitung der Detonationsfront unabhängig von dem Flüssigkeitsfüllstand des Aufnahmeraums.
- In einer Variante der Erfindung kann eine Zündvorrichtung außerhalb des Werkstückhohlraums angeordnet sein. Die Zündung des Gasgemisches kann somit unabhängig von dem Flüssigkeitsfüllstand im Innern des Werkstücks erfolgen.
- Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der folgenden Zeichnung beschrieben:
- Dabei zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, -
2 eine vergrößerte, perspektivische Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung mit eingesetztem Werkstück, -
3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Werkzeug mit eingesetztem Werkstück und Flüssigkeitsfüllung, -
4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung mit eingesetz tem Werkstück und geändertem Flüssigkeitsfüllstand gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und -
5 die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung aus4 mit geändertem Flüssigkeitsfüllstand. -
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Werkzeuganordnung1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Formwerkzeug2 und ein Zündaggregat3 auf. - Das Formwerkzeug
2 ist mehrteilig ausgebildet. Es besteht aus mehreren Werkzeughälften4 , welche zu dem Formwerkzeug2 zusammensetzbar sind. In geschlossenem Zustand, das heißt, wenn alle Formwerkzeughälften4 zusammengesetzt sind, ergibt sich im Innern des Formwerkzeugs2 eine Werkzeugkavität14 , deren Kontur die spätere Form des fertigen Werkstücks ergibt. Zusätzlich können in der Kontur des Formwerkzeugs2 auch Schneid- oder Trennkanten29 sowie Lochmatrizen30 vorgesehen sein, um das Werkstück während des Explosionsumformens gleichzeitig zu beschneiden, wie in den3 bis5 dargestellt. Die Werkzeugkavität14 bildet zugleich einen Aufnahmeraum15 des Formwerkzeugs2 . Erfindungsgemäß ist der Aufnahmeraum15 wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, wie später anhand der3 bis5 erläutert wird. - Das Formwerkzeug
2 kann auch in einer Presse5 angeordnet sein, welche das Formwerkzeug2 geschlossen hält. Die einzelnen Formwerkzeughälften4 können dann z. B. durch einen oder mehrere Stempel der Presse gegeneinander gepresst werden. - Das Zündaggregat
3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Halterung7 und ein Zündrohr8 auf. Das Zündrohr8 läuft an seinem dem Formwerkzeug2 zugewandten, vorderen Ende18 konisch zu und ist in der Halterung7 wenigstens in seiner Längsrichtung9 verschieblich gelagert. Es ist so zwischen einer Arbeitsstellung10 , in welcher das Zündrohr8 an einem in dem Formwerkzeug2 befindlichen Werkstück12 oder an dem Formwerkzeug2 anliegt, und einer Parkstellung11 , in welcher das Zündrohr8 von dem Formwerkzeug2 beabstandet ist und welche hier durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, bewegbar. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Zündrohr8 jedoch auch mehrere Freiheitsgrade aufweisen und z. B. auch etwa quer zu seiner Längsrichtung9 verschieblich sein. -
2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung1 mit eingesetztem Werkstück. Die in2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in1 , so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der1 verwiesen wird. - In den Aufnahmeraum
15 des Formwerkzeugs2 ist ein Werkstück12 eingesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Werkstück12 etwa rohrförmig und weist in seinem Inneren einen vorgeformten Werkstückhohlraum13 auf. Auch die Kontur des Formwerkzeugs2 , an welche das Werkstück12 durch Umformen angepasst wird, ist hier etwa rohrartig. - An seiner dem Zündrohr
8 zugewandten Seite16 weist das Formwerkzeug2 eine Öffnung17 auf, welche mit dem Aufnahmeraum15 im Innern des Formwerkzeugs2 in Verbindung steht und deren Rand korrespondierend zu dem vorderen Ende18 des Zündrohrs8 abgeschrägt ist und so eine Anlagefläche20 bildet. - Das Zündrohr
8 befindet sich in2 in seiner Arbeitsstellung10 und drückt einen Randbereich19 des Werkstücks12 gegen das Formwerkzeug2 . Der Randbereich19 wird dabei verformt und zwischen den beiden korrespondierenden, konischen Anlageflächen18 ,20 des Zündrohrs8 sowie des Formwerkzeugs2 festgeklemmt und bildet so einen Werkstückhaltebereich21 . Dadurch ist der Aufnahmeraum15 des Werkzeugs1 zugleich gasdicht verschlossen. - Das Zündrohr
8 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Ventil28 auf, über welches der Aufnahmeraum15 im Innern des Formwerkzeugs2 bzw. der Werkstückhohlraum13 mit Flüssigkeit befüllbar ist. Zur schnelleren Befüllung können alternativ auch mehrere Ventile vorgesehen sein. -
3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung1 mit eingesetztem Werkstück12 . Die in3 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den1 und2 , so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der1 und2 verwiesen wird. - Der Aufnahmeraum
15 des Formwerkzeugs2 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel durch den Werkstückhohlraum13 . Der Aufnahmeraum15 bzw. der Werkstückhohlraum13 sind in3 zu etwa drei Viertel mit einer Flüssigkeit26 gefüllt. Als geeignete Flüssigkeit kommen zum Beispiel Wasser, aber auch bestimmte Öle in Betracht. Oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche22 befindet sich ein explosives Gasgemisch23 . Die Gasmoleküle sind in dem zur Verfügung stehenden, flüssigkeitsfreien Raum24 verteilt. Je nach Gasart liegen einige Gasmoleküle auch direkt an der Flüssigkeitsoberfläche22 an. - In diesem Ausführungsbeispiel ist das explosive Gasgemisch
23 Knallgas. Dieses kann aus einem Wasserstoff(H2)-Sauerstoff(O2)-Gemisch oder auch aus einem Wasserstoff(H2)-Luftgemisch bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können dem Gasgemisch je nach Anwendungsfall auch gezielt andere Gase wie z. B. Stickstoff beigemengt werden. Das hier verwendete Knallgas ist ein stöchiometrisches Gasgemisch mit einem leichten Wasserstoffüberschuss. Der Wasserstoffanteil kann dabei in einem Bereich von etwa 4 bis 76% liegen. Alternativ könnte jedoch auch ein anderes explosives Gasgemisch Verwendung finden. - In dem Zündrohr
8 sind ein Anschluss25 zum Einleiten des explosiven Gasgemisches sowie eine Zündvorrichtung27 zum Zünden des explosiven Gasgemisches vorgesehen. Alter nativ können auch mehrere Gasanschlüsse25 , z. B. für jede Gasart einer, in dem Zündrohr8 vorgesehen sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können jedoch auch einer oder mehrere Gasanschlüsse25 in dem Formwerkzeug2 vorgesehen sein, wie in4 gezeigt. -
4 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeuganordnung1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in4 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den1 bis3 , so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der1 bis3 verwiesen wird. - In
4 ist der Aufnahmeraum15 bzw. der Werkstückhohlraum13 vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt. Auch hier befindet sich das explosive Gasgemisch23 oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche22 . Der Gasanschluss25 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche22 . Er ist hier in einer der Formwerkzeughälften4 angeordnet. -
5 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung1 aus4 mit einem geänderten Flüssigkeitsfüllstand. Die in5 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den1 bis4 , so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der1 bis4 verwiesen wird. - Der Werkstückhohlraum
13 ist hier vollständig mit Flüssigkeit26 gefüllt. Auch der Werkstückhaltebereich21 ist von der Flüssigkeit bedeckt. Das hat den Vorteil, dass die Schnitt- bzw. Kontaktstellen, welche in diesem Bereich liegen z. B. die Schnittstelle zwischen dem Werkstück12 und dem Formwerkzeug2 aber auch die Schnittstelle zwischen dem Werkstück12 und dem Zündrohr8 , flüssigkeitsdicht ausgebildet werden können. Dadurch kann z. B. der konstruktive Aufbau dieser Schnittstellenbereiche vereinfacht oder die Anpresskraft des Zündrohrs8 verringert werden. Das explosive Gasgemisch23 befindet sich auch hier oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche22 , nämlich in dem verbleibenden, flüssigkeitsfreien Hohlraum24 . Dieser liegt bei dem hier gezeigten Flüssigkeitsfüllstand vollständig innerhalb des Zündrohrs8 . Das heißt, das explosive Gasgemisch23 bzw. der Hohlraum24 , in welchem es sich befindet, ist bei einem derart hohen Flüssigkeitsfüllstand von dem Werkstück12 beabstandet. - Im Folgenden wird die Funktionsweise der in den
1 bis5 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele erläutert. - Zum Einsetzen des Werkstücks
12 in das Formwerkzeug2 befindet sich das Zündrohr8 in seiner Parkposition11 . Das Formwerkzeug2 wird geöffnet, in dem wenigstens eine der Formwerkzeughälften4 von den restlichen Formwerkzeughälften beabstandet wird. Anschließend wird das Werkstück12 in den Aufnahmeraum15 des Formwerkzeugs2 eingebracht. Danach wird das Formwerkzeug2 wieder geschlossen, in dem alle Formwerkzeughälften4 des Formwerkzeugs2 zusammengefügt werden. Der Randbereich19 des Werkstücks12 erstreckt sich dabei in die Öffnung17 des Formwerkzeugs2 , wie in2 zu sehen. - Anschließend wird das Zündrohr
8 entlang seiner Längsrichtung9 aus der Parkposition11 in die Arbeitsposition10 verschoben. Das vordere, konische Ende18 dese Zündrohrs8 kommt dabei mit dem Randbereich19 des Werkstücks12 in Kontakt und verformt diesen zu einem Werkstückhaltebereich21 bis er an der konischen Anlagefläche20 des Formwerkzeugs2 anliegt. Entsprechend den jeweiligen Produktionsanforderungen presst das Zündrohr8 den Werkstückhaltebereich21 mit einer vorbestimmten Kraft gegen die Anlagefläche20 . Dies kann zu einer zusätzlichen Verformung des Werkstückhaltebereichs21 führen, wie in3 dargestellt. Durch das Einpressen des Werkstückhaltebereichs21 zwischen dem Zündrohr8 und dem Formwerkzeug2 wird der Aufnahmeraum15 zugleich gasdicht gedichtet. - Über das Ventil
28 im Zündrohr8 wird der Aufnahmeraum15 , welcher in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen in etwa dem Werkstückhohlraum13 entspricht, mit einer bestimmten Menge Flüssigkeit26 zum Beispiel Wasser gefüllt. Die Flüssigkeit26 sammelt sich in dem Werkstückhohlraum13 und bildet eine Flüssigkeitsoberfläche22 . - Über den Gasanschluss
25 in dem Zündrohr8 wird der verbleibende, flüssigkeitsfreie Hohlraum24 mit einer bestimmten Menge des explosiven Gasgemisches23 gefüllt. Das Verhältnis von explosivem Gas zu Flüssigkeit liegt dabei im Bereich von 1:1 bis 1:20. Gas-Flüssigkeitsverhältnisse im Bereich von 1:2 bis 1:15 haben sich als vorteilhaft erwiesen, wo bei ein Verhältnis im Bereich von 1:3 bis 1:10 besonders günstig ist. Insbesondere ist ein Gas-Flüssigkeitsverhältnis von 1:7 anzustreben. Der Gasdruck vor dem Explosionsumformen liegt im Bereich von ca. 60 bis 200 bar, vorteilhafterweise im Bereich von 70 bis 120 bar und insbesondere im Bereich von 95 bis 105 bar, oder 110 bis 130 bar. - Die Flüssigkeitsmenge bzw. der Flüssigkeitsfüllstand lässt sich wie in den
3 bis5 gezeigt variieren. Je nach Flüssigkeitsfüllstand verändert sich dabei das Volumen sowie die Lage des verbleibenden, flüssigkeitsfreien Hohlraums24 . Durch den relativ niedrigen Flüssigkeitsfüllstand in3 erstreckt sich der Hohlraum24 bzw. das Gasgemisch23 z. B. von dem Werkstückhohlraum13 über den Werkstückhaltebereich21 hinweg bis in das Zündrohr8 hinein. In4 z. B. ist der gesamte Aufnahmeraum15 mit Flüssigkeit26 gefüllt. Das explosive Gasgemisch23 bzw. der verbleibende, flüssigkeitsfreie Hohlraum24 erstreckt sich hier lediglich im Werkzeughaltebereich21 und in das Zündrohr8 hinein. In5 dagegen befindet sich der flüssigkeitsfreie Hohlraum24 nur noch im Zündrohr8 und ist damit beabstandet zu dem Werkstück12 . Das Volumen des freien Hohlraums24 kann in einem Bereich von etwa einem halben Liter bis zu zehn Litern liegen. Hohlräume24 mit einem Volumen von ca. einem halben bis vier Litern haben sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wobei ein Hohlraumvolumen von ca. ein bis zwei Litern besonders wirtschaftlich ist. - Durch Betätigen der Zündvorrichtung
27 wird das explosive Gasgemisch23 , welches sich in dem Hohlraum24 befindet gezündet. Bei dem in dieser Ausführungsform der Erfindung verwendeten Knallgas wird der vorhandene Sauerstoff bei der Explosion etwa vollständig verbrannt bzw. umgewandelt. Dies soll einem Korrodieren des Werkstücks und des Werkzeugs bzw. der ganzen Anlage entgegenwirken. Als Zündmechanismen kommen hier grundsätzlich die gängigen, z. B. aus dem Stand der Technik bekannten Zündmechanismen in Frage. - Die entstehende Detonationsfront breitet sich zunächst in dem Gasgemisch
23 bzw. dem Hohlraum24 aus und trifft dann auf die Phasengrenze, nämlich die Flüssigkeitsoberfläche22 . Dabei werden etwa vier Fünftel der Energie bzw. der Kraft der Detonationsfront an die Flüssigkeit übertragen. Der unmittelbare Kontakt zwischen dem Gasgemisch23 und der Flüssigkeit26 , ohne zusätzliche Zwischenkomponenten, gewährleistet eine relativ gute Kraftübertragung. Die an die Flüssigkeit26 abgegebene Druckwelle setzt sich in dieser fort und presst so das Werkstück12 in die Kavität14 des Formwerkzeugs2 . Gleichzeitig wird der Werkstückhaltebereich21 mittels der in dem Formwerkzeug2 vorgesehenen Trennkante29 von dem übrigen, umgeformten Werkstück12 abgetrennt. Der dabei erzielte Umformdruck liegt bei der in diesem Ausführungsbeispiel eingefüllten Gasmenge von etwa einem Liter und bei dem hier herrschenden Ausgangsdruck von ca. 100 bar bei etwa 2000 bis 2500 bar. - Die Flüssigkeit
26 deckt dabei je nach Flüssigkeitsfüllstand große Stellen des Werkstücks12 ab und schützt diese vor Verbrennungen. Sind in dem Formwerkzeug4 Schneid- oder Trennkanten29 vorgesehen, um das Werkstück12 während des Umformens gleichzeitig auch zuzuschneiden, wird die Qualität dieser Kanten durch die Druckübertragung mittels Flüssigkeit verbessert. Auch die Kantenqualität von Löchern, welche während des Umformens gestanzt werden können, wird verbessert. Ein weiterer Vorteil der Flüssigkeitsbefüllung ist die Vereinfachung der Schnittstellen in dem Werkstückhaltebereich21 und/oder zwischen den einzelnen Formwerkzeughälften4 . Diese liegen hier, wie in den3 bis5 gezeigt, unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche22 und sind daher lediglich flüssigkeitsdicht. Durch die Flüssigkeitsfüllung lässt sich auch die benötigte Gasmenge im Vergleich zum Explosionsumformen ohne Flüssigkeitsfüllung reduzieren. Um in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Explosionsumformen des Werkstücks mit einer reinen Gasfüllung zu erreichen, würden etwa drei Liter des explosiven Gasgemisches23 benötigt. Mit der hier gezeigten Flüssigkeitsfüllung26 lässt sich die benötigte Gasmenge auf ca. ein Liter reduzieren. Das erzielte Umformergebnis ist dabei etwa gleichwertig und oft sogar qualitativ besser. - In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Flüssigkeitsbefüllung über ein Ventil
28 in dem Zündrohr8 , da es sich hier um ein annähernd gerades, rohrförmiges Werkstück12 handelt. Alternativ kann die Flüssigkeitsbefüllung des Werkstückhohlraums13 jedoch auch über ein Tauchbad erfolgen. Dies eignet sich insbesondere für Werkstücke, welche durch ihre Form dafür geeignet sind Flüssigkeit aufzunehmen, z. B. für gekrümmte oder wannenartig geformte Werkstücke. Solche Werkstücke können z. B. aus Stangenmaterial vorgeformt und anschließend in ein Flüssigkeitsbad zum Beispiel ein Wasserbad befördert werden. Hier werden sie je nach gewünschter Flüssigkeitsmenge getaucht bevor sie in das Formwerkzeug2 eingesetzt werden. Ein solches Flüssigkeitsbad kann gleichzeitig z. B. als Produktionspuffer dienen, in welchem eine gewisse Anzahl an vorgeformten und flüssigkeitsgefüllten Werkstücken12 zwischengelagert werden kann, bevor sie in das Formwerkzeug2 eingesetzt werden. - Auch das Befüllen mit dem Gasgemisch
23 muss nicht zwangsläufig über einen oder mehrere Anschlüsse25 im Zündrohr8 erfolgen. Das Gasgemisch23 kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung auch unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingeleitet werden, z. B. durch einen oder mehrere Gasanschlüsse25 in dem Formwerkzeug2 , wie in4 gezeigt. In diesem Fall steigt das unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingeleitete Gas23 durch die Flüssigkeit26 hindurch und sammelt sich in dem flüssigkeitsfreien Hohlraum24 . - Die Zündung erfolgt auch hier über die Zündvorrichtung
27 . Je nach Taktzeit und gewünschten Umformergebnis kann die Zündung erfolgen, nachdem sich das gesamte Gas23 in dem Hohlraum24 gesammelt hat oder bereits wenn sich das Gasgemisch23 noch wenigstens teilweise in der Flüssigkeit26 befindet. - Das Einleiten des Gases
23 durch eine Flüssigkeit26 , wie zum Beispiel Wasser hindurch hat den Vorteil, dass trotz gleicher Gasmenge ein höherer Umformdruck erzielt werden kann. Je nach Werkstück und eingefüllter Gas- bzw. Flüssigkeitsmenge ist so eine Steigerung des Umformdrucks bis zu dem vierfachen Wert möglich. - Die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung und Verfahren wurden hier anhand eines etwa rohrförmigen Werkstücks
12 und eines korrespondierenden Formwerkzeugs2 beschrieben. Dennoch sind auch andere Werkstückformen und dementsprechend anders geformte Formwerkzeuge möglich. Zum Beispiel können mit der hier beschriebenen Werkzeuganordnung und Verfahren auch relativ flache oder gebogene Werkstücke umgeformt werden. Auch Werkstücke und Formwerkzeuge, welche abweichend von den hier gezeigten Ausführungsbeispielen mehr als einen Werkzeughaltebereich aufweisen sind möglich. - Obwohl in der hier beschriebenen Werkzeuganordnung und Verfahren Wasser als Befüll- und Druckübertragungsmedium dient, können hierfür prinzipiell auch andere Fluide in dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden. Denkbar wären hier Flüssigkeiten, wel che sich vor allem durch ihren Viskositätsbereich für diesen Zweck eignen, wie z. B. bestimmte Öle.
- In dem oben beschriebenen Verfahren wird der Werkzeughohlraum
13 mit Flüssigkeit gefüllt. Dies eignet sich insbesondere für rohrartige Werkstücke und hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sich die Flüssigkeit jedoch auch außerhalb des Werkstückhohlraums13 in dem Aufnahmeraum15 befinden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - CH 409831 [0002]
Claims (22)
- Verfahren zum Explosionsumformen eines Werkstücks (
12 ) mittels Gasexplosion, bei welchem das Werkstück (12 ) in einem Aufnahmeraum (15 ) eines Formwerkzeugs (2 ) angeordnet wird, wobei der Aufnahmeraum (15 ) wenigstens teilweise mit Flüssigkeit (26 ) gefüllt wird, und die Explosion durch Zünden eines explosiven Gasgemisches (23 ) ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstückhohlraum (13 ), dessen Wandung im Querschnitt eine geschlossene Form aufweist, wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt wird und das explosive Gasgemisch (23 ) vor dem Zünden wenigstens teilweise über der Oberfläche der Flüssigkeit (22 ) vorgesehen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (
23 ) unmittelbar an die Flüssigkeitsoberfläche (22 ) angrenzt. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (
15 ) über ein Ventil (28 ) mit der Flüssigkeit (26 ) befüllt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (
23 ) wenigstens teilweise durch die Flüssigkeit (26 ) hindurch eingeleitet wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Aufnahmeraum (
15 ) wenigstens teilweise durch den vorgeformten Werkstückhohlraum (13 ) erstreckt, in welchem sich die Detonationsfront ausbreitet. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in wenigstens einem Werkstückhaltebereich (
21 ), an welchem das Werkstück (12 ) in dem Formwerkzeug (2 ) gehalten ist, mit Flüssigkeit (26 ) befüllt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Werkstückhohlraum (
13 ) vollständig mit Flüssigkeit (26 ) befüllt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Werkstückhohlraum (
13 ) wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch (23 ) gefüllt wird - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Hohlraum (
24 ), welcher beabstandet zu dem eingebrachten Werkstück (12 ) ist, wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch (23 ) gefüllt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (
15 ) durch Tauchen des Werkstücks (12 ) in ein Flüssigkeitsbad mit Flüssigkeit (26 ) befüllt wird. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis von explosivem Gas zu Flüssigkeit (
26 ) etwa 1:1 bis 1:20, vorzugsweise 1:2 bis 1:15, und insbesondere 1:3 bis 1:10 beträgt. - Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Gasgemisches (
23 ) außerhalb des Werkstückhohlraums (13 ) erfolgt. - Werkzeuganordnung (
1 ) zum Explosionsumformen eines in einem Formwerkzeug (2 ) angeordneten Werkstücks (12 ) mittels eines explosiven Gasgemisches (23 ), wobei die Werkzeuganordnung (1 ) einen Aufnahmeraum (15 ) aufweist, in welchen das Werkstück (12 ) eingebracht ist, und welcher wenigstens teilweise mit Flüssigkeit (26 ) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstückhohlraum (13 ), dessen Wandung im Querschnitt eine geschlossene Form aufweist, wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist und das explosive Gasgemisch (23 ) wenigstens teilweise über der Oberfläche der Flüssigkeit (22 ) angeordnet ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (23 ) unmittelbar an die Flüssigkeitsoberfläche (22 ) angrenzt. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (15 ) über ein Ventil (28 ) mit Flüssigkeit (26 ) befüllbar ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasanschluss (25 ) unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche (22 ) vorgesehen ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13–16, dadurch gekennzeichnet, dass das sich der Aufnahmeraum (15 ) wenigstens teilweise durch einen Werkstückhohlraum (13 ) erstreckt. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in wenigstens einem Werkstückhaltebereich (21 ), an welchem das Werkstück (12 ) in dem Formwerkzeug (2 ) gehalten ist, mit Flüssigkeit (26 ) gefüllt ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Werkstückhohlraum (13 ) vollständig mit Flüssigkeit (26 ) gefüllt ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Werkstückhohlraum (13 ) wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch (23 ) gefüllt ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 13–20, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender, flüssigkeitsfreier Hohlraum (24 ), welcher beabstandet zu dem eingelegten Werkstück (12 ) ist, wenigstens teilweise mit dem explosiven Gasgemisch (23 ) gefüllt ist. - Werkzeuganordnung (
1 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündvorrichtung (27 ) außerhalb des Werkstückhohlraums (13 ) angeordnet ist.
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