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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Rohrmaterial,
auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, auf
ein Presswerkzeug mit solch einer Vorrichtung, sowie auf ein nach
dem Verfahren hergestelltes Rohrmaterial.
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Nahtlos
gezogene Rohrabschnitte beispielsweise für die Verwendung
als Wellen mit vergleichsweise großen Wandstärken
werden im Stand der Technik aufwändig und entsprechend
kostenintensiv hergestellt. Eine alternative Herstellung derartiger Rohrabschnitte
erfolgt daher durch Hohlbohren von Vollmaterial. Neben dem dabei
auftretenden Materialverlust sind derartige Herstellungsverfahren
zeitaufwändig.
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Die
Patentschrift
DE
10 2005 003 933 B4 offenbart einen Dorn zum Strangpressen
von Gegenständen, wobei der Dorn aus einem Haupt- und mehreren
Innendornen besteht, welche axial zueinander verschiebbar sind.
Die Patentschrift
GB 922,794 offenbart
weiterhin eine Methode, um Rohre mit unterschiedlichen Wandstärken
zu fertigen. Hierfür wird ein Dorn verwendet, welcher Abschnitte
mit unterschiedlichem Außendurchmesser aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren
samt der notwendigen Werkzeuge vorzuschlagen, mit denen eine kostengünstige
und schnelle Herstellung von Rohrmaterial ermöglicht wird.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Rohrmaterial
zumindest bestehend aus folgenden Verfahrensschritten gelöst:
Beladen einer Matrize mit in Pressrichtung konischem Zulauf in eine
Austrittsöffnung mit einem gelochten Werkstück,
Verfahren eines Innendorns durch das Werkstück in die Austrittsöffnung,
Vorwärtshohlfließpressen mittels eines Stempels bestehend
aus einem koaxial um den Innendorn angeordneten Innenstempel und
einem koaxial um diesen angeordneten Außenstempel, Bildung
eines Rohteils mit einem Rohrabschnitt und einem im Zulauf verbleibenden
Pressrest, Stanzen des Pressrests mittels des Innenstempels, Ausbringen
des Pressrests mittels des Innenstempels, Abstreifen des Pressrests
mittels des Außenstempels. Mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann Rohrmaterial insbesondere in Form von Rohrabschnitten
schnell in großen Stückzahlen und ohne großen
Materialabfall hergestellt werden. In einer Ausgestaltung ist die
Matrize im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet. Das gelochte Werkstück
ist in einer Ausgestaltung insbesondere zylindrisch, wobei es jedoch
prinzipiell beliebig ausgestaltet sein bzw. ein beliebiges Außenprofil
aufweisen kann.
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Das
gelochte Werkstück kann dabei aus Vollmaterial mittels
eines kombinierten Napf- und Stanzverfahrens in einer vorgelagerten
Prozessstufe hergestellt werden, so dass das gesamte Rohrmaterial in
einem Pressvorgang beispielsweise auf einer mehrstufigen Presse
herstellbar ist. In einer Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass
das gelochte Werkstück und der Rohrabschnitt hintereinander
auf einer mehrstufigen Presse hergestellt werden. Hierzu kann ein
Ablauf zur Herstellung des gelochten Werkstücks aus Vollmaterial
in einem zusätzlichen Werkzeug folgende Verfahrensschritte
enthalten: Beladen des Vollmaterials in eine Matrize, Setzen des
Vollmaterials mittels eines Setzstempels, Anprägen einer dem
Zulauf entsprechenden Fase an einer dem Setzstempel abgewandten
Stirnseite des Vollmaterials, Napfen des Vollmaterials mittels eines
koaxial im Setzstempel angeordneten Lochstempels bei entlastetem
Setzstempel, Lochen des Vollmaterials durch den Lochstempel.
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Abhängig
von der Materialbeschaffenheit und der Art des Materials kann es
vorteilhaft sein, Bedingungen für Warmumformung oberhalb
der Raumtemperatur zu wählen. Hierzu kann das Vollmaterial vor
dem Umformen und/oder nach dem Beladen erwärmt werden.
Als vorteilhaft hat sich eine induktive Erwärmung erwiesen.
Unter Umformbedingungen ohne Erwärmung, also bei Raumtemperatur,
können insbesondere Weich-, Leicht- und Buntmetalle sowie deren
Legierungen eingesetzt und verarbeitet werden. Stahlmaterial wird
unter halbwarmen und insbesondere warmen Bedingungen umgeformt,
wobei die Art des Stahls und die auszubildenden Wandstärken den
Ausschlag für eine warme oder halbwarme Umformung geben
können. Durch eine schnell auf die Herstellung des gelochten
Werkstücks folgende Verarbeitung zum Rohrabschnitt kann
ein nochmaliges Erwärmen vor oder während des
Vorwärtshohlfließpressens vermieden werden, insbesondere
wenn die Fertigung auf einer Mehrstufenpresse mit der Herstellung
des gelochten Werkstücks in der Pressstufe vor der Herstellung
des Rohrabschnitts erfolgt.
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Nach
dem Stanzen des Pressrestes und dem Auswerfen des Rohrabschnitts
verbleibt dieser zuerst im Zulauf. Eine einfache und sichere Entfernung
des Pressrestes kann durch Aufschrumpfen des Pressrestes auf den
Innenstempel erfolgen. Dabei kann die natürliche Erkaltung
des Pressrestes genutzt werden. Zusätzlich, insbesondere
zur Herbeiführung einer kürzeren Taktrate des
Herstellungsprozesses, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass
das Werkzeug oder der Zulauf des Werkstücks gekühlt,
beispielsweise wassergekühlt wird, so dass der Pressrest
zusätzlich abgeschreckt wird und schneller auf den Innenstempel
aufschrumpft. Durch den Schrumpfprozess wird der Pressrest aus dem konischen
Zulauf abgehoben und von diesem getrennt. Der Außenstempel
fährt in dieser Phase des Verfahrens bereits zurück
oder verbleibt in einer Stellung, in der das Aufschrumpfen des Pressrests
weder mechanisch noch thermisch behindert wird. Anschließend
wird der Pressrest durch eine Verlagerung des Innenstempels nach
außen befördert und durch eine Abstreifbewegung
des Außenstempels gegenüber dem Innenstempel vom
Innenstempel getrennt. Die Relativbewegung von Innenstempel, Außenstempel
und Matrize gegeneinander können durch unterschiedliche
Pressanordnungen realisiert werden. Beispielsweise kann der Pressentisch,
auf dem das Werkzeug befestigt ist, verlagerbar sein. Weiterhin
können mehrere die Stempel beaufschlagende Kolben unabhängig
voneinander betrieben werden, so dass Innenstempel, Außenstempel
und Werkzeug auf einer gedachten Bewegungsachse jeweils relativ
zueinander gleichzeitig in unterschiedliche Bewegungsrichtungen
verlagerbar sind.
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Die
Aufgabe wird gleichermaßen gelöst durch eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens
einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen zur Herstellung von
Rohrmaterial, insbesondere Rohrabschnitten, zumindest bestehend
aus mindestens einer Presse und zumindest einem Hauptpresswerkzeug,
welches Hauptpresswerkzeug zumindest besteht aus einer Matrize mit
einer zylindrischen Gravur und einem axial längs der Gravur
verlagerbaren Stempel, wobei der Stempel mehrteilig aus einem Innendorn,
einem koaxial um diesen angeordneten Innenstempel und einem koaxial
um den Innenstempel angeordneten Außenstempel gebildet
ist, und wobei die Matrize anschließend an die zylindrische
Gravur einen konischen, sich auf einen Austrittsradius verjüngenden
Zulauf aufweist. In vorteilhafter Weise werden in diesem Hauptpresswerkzeug
die gelochten Werkstücke zu einem Rohrabschnitt nach dem
oben angegebenen Verfahren geformt. Die Presse ist dabei in einer
Ausgestaltung zumindest doppelt wirkend ausgestaltet.
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Weiterhin
kann dem Hauptpresswerkzeug ein Vorpresswerkzeug zur Bildung einer
ersten Pressstufe vorgelagert sein, welches Vorpresswerkzeug zumindest
aus einer zweiten Matrize mit einer Bodenplatte mit einer Stanzöffnung
und einer Zylinderwandung mit einem sich zur Bodenplatte hin verjüngenden
Konus sowie einem Setzstempel mit einem koaxial in diesem aufgenommenen
Lochstempel gebildet ist. Der Lochstempel kann dabei in einer Ausgestaltung
gekühlt, beispielsweise wassergekühlt sein. Hierdurch
kann die entstehende Umformwärme abgeführt und
die Maßhaltigkeit des Lochstempels besser garantiert werden.
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Das
Vorpresswerkzeug dient zur Vorbereitung und Anpassung eines beispielsweise
mittels eines Scherverfahrens hergestellten Masseteils aus Vollmaterial
zum gelochten Werkstück. Hierzu erfolgen in dem Vorpresswerkzeug
Setz-, Napf- und Lochvorgänge. Das Setzen umfasst in vorteilhafter Weise
das Anprägen einer Fase. Diese weist einen Fasenwinkel
auf, der im Wesentlichen bereits dem Konuswinkel des Zulaufs des
Hauptpresswerkzeugs entspricht, so dass das gelochte Werkstück
an die Gravur mit dem Zulauf des Hauptwerkzeugs passend eingefügt
werden kann. Vorzugsweise sind die Durchmesser der Zylinderwandungen
des Haupt- und Vorpresswerkzeugs im Wesentlichen gleich. Nach dem
Setzen durch einen Setzstempel, der koaxial einen Lochstempel aufnimmt,
erfolgt über einen ersten Teilhub der Presse das Napfen
mittels des Lochstempels bei vorzugsweise entlastetem oder zumindest
teilentlastetem Setzstempel. Der Lochstempel kann dabei an den Napfvorgang
in entsprechender Weise angepasst sein. Durch Entlastung des Setzstempels
erfolgt ein Rückfließprozess, der die Zylinderlänge
des Werkstücks erhöht und den bei dem nachfolgenden
zweiten Teilhub durchgeführten Lochprozess des Lochstempels
die Größe des gelochten Butzens verringert. Insbesondere
während der Bewegung des Lochstempels ist dieser im Setzstempel
zentriert geführt.
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Das
auf diese Weise gefertigte gelochte Werkstück wird in dem
Hauptpresswerkzeug weiterverarbeitet. Hierzu hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn der Durchmesser des Innendorns kleiner als der Durchmesser
des Lochstempels ist. Auf diese Weise kann der Innendorn mit Spiel
in der Öffnung des Werkstücks ohne Reibung und
ohne Probleme bei gegebenenfalls vorhandenen Abweichungen der Achsen
von Innendorn und Lochstempel verlagert werden. Weiterhin kann im
nachfolgenden Vorwärtshohlfließpressschritt Material
vorwärts fließend auch nach radial innen verdrängt
werden, so dass ein homogener Materialfluss erzielt wird.
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Zur
Durchführung des Stanzschritts mittels des Innenstempels
weist dieser im Wesentlichen den doppelten Austrittsradius – also
den Durchmesser der Austrittsöffnung – auf. Der
Innenstempel ist an dessen Stirnseite entsprechend als Stanzwerkzug ausgebildet.
Weiterhin ist der Innendorn im Innenstempel zentriert und geführt,
so dass gleichmäßige Wandstärken während
des Vorwärtshohlfließpressens erzielt werden können.
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Zur
Kühlung des durch den Stanzvorgang vom Rohrabschnitt getrennten
Pressrests kann zumindest das Werkstückteil, an dem der
Pressrest haftet, eine Kühleinrichtung aufweisen. Hierzu
kann dieses als separates Matrizenteil mit einem Kühlwasseranschluss
ausgebildet sein. Durch die Kühlung löst sich
der Pressrest vom Zulauf und schrumpft auf den Innenkolben, wodurch
er aus dem Hauptpresswerkzeug durch Verlagern des Innenstempels
ausgefahren und durch den Außenstempel vom Innenstempel abgestreift
werden kann. In einer Ausgestaltung weist somit der Zulauf und/oder
das Werkzeug eine Kühleinrichtung auf.
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Die
Verlagerung von Innenstempel und Außenstempel gegeneinander
erfolgt in vorteilhafter Weise mittels einer gegenläufigen
Presse. Abhängig von der Ausgestaltung der Presse beispielsweise
als hydraulische oder mechanische Presse kann diese zwei unabhängig
voneinander betreibbare Druckzylinder oder Kolben aufweisen. Derart
zueinander gegenläufige Druckbeaufschlagungseinrichtungen
können beispielsweise einen Stempel entlasten und zurückziehen,
während der andere Stempel druckbeaufschlagt wird. In gleicher
Weise können gegenläufige Beaufschlagungen mit
Druck durch einen verlagerbaren Stempel und zusätzlich
durch einen verlagerbaren Pressentisch als Teil der Presse erzielt
werden.
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Darüber
hinaus wird die Aufgabe durch ein Presswerkzeug gelöst,
welches zumindest ein Hauptpresswerkzeug und ein Vorpresswerkzeug nach
einem der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen aufweist.
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Weiterhin
wird die Aufgabe durch Rohrmaterial gelöst, das nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren und deren Werkzeuge
hergestellt ist. Dabei kann ein Werkstoff des Rohrmaterials ein
Buntmetall, Leichtmetall oder deren Legierungen sein. Besonders
vorteilhaft können diese Materialien mittels eines Kalt-
oder Halbwarmumformverfahrens verarbeitet werden.
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Weiterhin
ist die Verwendung von Stahl zur Herstellung des Rohrmaterials mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wobei
derartige Materialien bevorzugt mittels eines Warm- oder Halbwarmverfahrens
verarbeitet werden. Das Rohrmaterial eignet sich insbesondere als
Halbzeug für die Herstellung von Wellen wie Getriebewellen,
insbesondere in Leichtbauweise.
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Die
Erfindung wird anhand der in den 1 bis 6 dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigen:
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1 bis 3:
Schnitt durch ein Vorpresswerkzeug zu drei verschiedenen Bearbeitungszeitpunkten,
und
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4 bis 6:
Schnitt durch ein Hauptpresswerkzeug zu drei verschiedenen Bearbeitungszeitpunkten.
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Die 1 bis 3 zeigen
das Vorpresswerkzeug 1 mit der Matrize 2 mit einer
Zylinderwandung 3 und einen Ausschnitt einer fest mit dieser
verbundenen Bodenplatte 4. In der Bodenplatte 4 ist eine
Stanzöffnung 5 vorgesehen. Am Übergang
von der Zylinderwandung 3 zur Bodenplatte 4 weist
die Zylinderwandung 3 einen sich zur Bodenplatte 4 hin verengenden
Konus 6 zur Darstellung einer Fase im gelochten Werkstück 7 auf.
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In
der 1 ist der Beladungszustand vor Beginn des Pressvorgangs
dargestellt. Das Vollmaterial 8 – beispielsweise
ein von einem Stangenmaterial abgescherter Stangenabschnitt mit
einem der Innenfläche der Zylinderwandung 3 entsprechendem Außendurchmesser – wird
in die Matrize 2 eingebracht und liegt am Konus 6 an.
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2 zeigt
das Vollmaterial 8, nachdem es durch den Setzstempel 10 gesetzt
und die Fase 11 mit einem Fasenwinkel α ausgebildet
worden ist. Der Setzstempel 10 wird hierzu von einer nicht
dargestellten Presse in Richtung des Pfeils 12 und somit
in Richtung der Bodenplatte 4 mit Druck beaufschlagt. Koaxial
zur Symmetrieachse 13 des Vorpresswerkzeugs 1 ist
in dem Setzstempel 10 der Lochstempel 9, der wassergekühlt
oder in anderer Weise gekühlt sein kann, axial verlagerbar
geführt und zentriert. Nachfolgend zum Setzschritt der 2 wird
ein Napfen mittels einer Verlagerung des Lochstempels 9 in Richtung
der Bodenplatte 4 durchgeführt, wobei der Setzstempel 10 drucklos
geschaltet wird. Hierdurch wird Material des Vollmaterials 8 durch
Rückfließen verdrängt. Dies führt – wie
in 3 gezeigt – zu einer Erhöhung
des Zylinders des Vollmaterials 8 in einem ersten Teilhub
und bei weiterer Verlagerung des Lochstempels 9 in Richtung
Bodenplatte 4 im zweiten Teilhub zum Ausbrechen des Butzens 14.
Durch den Rückfluss von Material ist der Butzen 14 kleiner
als die geschaffene Öffnung 15 im durch den Umformungsprozess
geschaffenen Werkstück 7 mit einer Fase 11 mit
dem Fasenwinkel α. Das gelochte Werkstück 7 wird
nach dem Zurückziehen von Setzstempel 10 und Lochstempel 9 ausgebracht
und in das in den nachfolgenden 4 bis 6 beschriebene Hauptpresswerkzeug 16 eingelegt.
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Die 4 bis 6 zeigen
das Hauptwerkzeug 16 mit einer mehrteiligen Matrize 17,
bestehend aus einer Zylinderwandung 18, einem Zulauf 19 und einem
Ausführteil 20. Die Zylinderwandung 18 hat
im Wesentlichen denselben Innendurchmesser wie die Zylinderwandung 3 des
Vorpresswerkzeugs 1 der 1 bis 3.
Der Zulauf 19 weist einen Konus 21 auf, der den
Innendurchmesser der Zylinderwandung 18 auf den Durchmesser
der Austrittsöffnung 22 und damit im Wesentlichen
auf den Außendurchmesser der herzustellenden Rohrabschnitte
verengt. Der Konus 21 weist dabei einen Konuswinkel β auf,
der im Wesentlichen dem Fasenwinkel α des gelochten Werkstücks 7 (siehe 4)
entspricht.
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4 zeigt
das Hauptpresswerkzeug 16 bei eingelegtem Werkstück 7 zu
Beginn der Beaufschlagung durch den mehrteiligen Stempel 23.
Das Werkstück 7 liegt mit seiner Fase 11 am
Konus 21 an und wird von dem Stempel 23 beaufschlagt.
Der Stempel 23 ist dabei aus dem Innendorn 24,
einem koaxial um die Symmetrieachse 25 diesen außen
umgebenden Innenstempel 26 sowie einem beide umgebenden Außenstempel 27 gebildet.
Dabei ist der Innendorn 24 gegenüber dem Innenstempel 26 und
dieser gegenüber dem Außenstempel 27 zentriert
und axial geführt. In dem in 4 gezeigten
Verfahrensschritt wird zuerst der Innendorn 24 von der
Presse axial verlagert und übergreift die Austrittsöffnung 22 axial. Dabei
ist der Außendurchmesser des Innendorns 24 an
den gewünschten Innendurchmesser des zu bildenden Rohrabschnitts
angepasst und der Innendurchmesser der Öffnung 15 des
Werkstücks 7 größer als der
Außendurchmesser des Innendorns 24 ausgelegt.
Nachfolgend werden Innenstempel 26 und Außenstempel 27 in
Richtung der Pfeile 28, 29 synchron von der Presse
beaufschlagt und dadurch axial verlagert. Der sich darauf einstellende
Vorwärtshohlfließprozess drückt Material
des Werkstücks 7 unter Abstützung an
dem Innendorn 24 durch die Austrittsöffnung 22 in
die im Ausführteil 22 vorgesehene gegenüber
der Austrittsöffnung 22 erweiterte Öffnung 30.
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Das
Resultat des Vorwärtshohlfließprozesses – das
Rohteil – ist aus 5 ersichtlich.
Aus dem Werkstück 7 der 4 hat sich
ein Rohrabschnitt 31 gebildet, der mit einem im Konus 21 des
Zulaufs 19 verbliebenen Pressrest 32 verbunden
ist. Die Länge des Rohrabschnittes 31 kann durch
Auslegung von Vor- 1 und Hauptpresswerkzeug 16 so
ausgelegt werden, dass die Länge des Halbzeuges so gebildet wird,
dass ein oder mehrere, durch Abstechen gebildete Fertigteile hergestellt
werden können.
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Zur
Trennung von Pressrest 32 und Rohrabschnitt 31 wird – wie
in 6 gezeigt – der Außenstempel 27 längs
des Pfeils 29 zumindest teilweise zurückgezogen
und der Innenstempel 26 längs des Pfeils 28 in
Richtung Austrittsöffnung 22 verlagert, wodurch
der Rohrabschnitt 31 unter Verminderung der Masse des Pressrests 32 weiter
verlängert wird, bis der Innenstempel 26, dessen
Außendurchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser der Austrittsöffnung 22 entspricht,
den Pressrest 32 vom Rohrabschnitt 31 trennt,
indem er die Austrittsöffnung 22 passiert. Dabei
kann der Innendorn 24 zur Stabilisierung des Innenstempels 26 mitgeführt
oder mit dem Außenstempel 27 herausgezogen werden.
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Zur
Entfernung des Pressrests 32 wird dieser auf den Innenstempel 26 aufgeschrumpft.
Hierzu kann eine Abkühlung des Pressrests 32 abgewartet werden,
so dass der Schrumpfungsprozess selbstständig einsetzt.
In vorteilhafter Weise wird jedoch zumindest der Zulauf 19 wassergekühlt,
so dass der Pressrest 32 beschleunigt abgekühlt
wird und auf den Innenstempel 26 aufschrumpft. Durch Verlagerung
des Innenstempels 26 nach außen wird der Pressrest 32 mitgenommen
und außerhalb des Hauptpresswerkzeugs 16 vom Außenstempel 27 abgestreift.
Hierzu kann der Außenstempel 27 in einer festgelegten
Position verharren und der Innenstempel 26 auf axial gleiche
Höhe zurückgezogen werden oder der Innenstempel 26 außerhalb
des Hauptpresswerkzeugs 16 auf eine vorgegebene Position und
der Außenstempel 27 in Richtung Hauptpresswerkzeug 16 auf
die axiale Position des Innenstempels 26 verfahren werden.
Alternativ können beide Stempel 26, 27 in
gegenläufiger Bewegung relativ gegeneinander verlagert
werden, um den Pressrest 32 abzustreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005003933
B4 [0003]
- - GB 922794 [0003]