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Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren zur Herstellung einer stufenförmigen Querschnittsverjüngung an einem rohrförmigen Werkstück aus Metall. Der Begriff "Metall" umfasst legierte und unlegierte Stähle sowie Nichteisenmetalle.
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Eine stufenförmige Querschnittsverjüngung kann als Anschlag und Angriffspunkt für Verbindungen, vorzugsweise Steckverbindungen, genutzt werden. Ferner kommen stufenförmige Querschnittsverjüngungen beispielsweise bei Achswellen, Stabilisatoren, Antriebswellen und Gasdruckflaschen in Betracht. Stets ist es von zentraler Bedeutung, dass das rohrförmige Werkstück im stufenförmigen Übergangsbereich nicht seine Stabilität verliert. Ein Stabilitätsverlust ist unvermeidbar, wenn ein rohrförmiges Werkstück mit gleichmäßiger Wanddicke durch Ziehen und einer anschließenden Rollieroperation umgeformt wird, um eine Kante auszubilden. In diesem Fall wird die Wandstärke des Rohrs im stufenförmigen Übergangsbereich lokal geschwächt mit der Gefahr, dass das Bauteil im Umformungsbereich bei einer Belastung, insbesondere einer wechselnden Biegebeanspruchung oder Torsionsbelastung, versagt.
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Aus
EP 1 702 695 B1 ist ein Umformverfahren zur Herstellung einer Querschnittsverjüngung an einem rohrförmigen Werkstück aus Metall bekannt, bei dem das Werkstück zunächst in einer Umformungszone lokal erwärmt, in einem die Umformungszone umfassenden Bereich in einer Außenform festgespannt und mittels eines Stauchdorns axial so gestaucht wird, dass sich die Wandstärke des Werkstücks in der Umformungszone vergrößert. Die durch Stauchen erzeugte Wandverdickung erstreckt sich in annährend gleichen Teilen sowohl nach Außen als auch nach Innen. Anschließend kann der Querschnitt des rohrförmigen Werkstücks in einem sich von einem Ende bis in die Umformungszone erstreckten Bereich durch Ziehen verjüngt werden. Dabei müssen Übergangsschrägen in Kauf genommen werden. Aufgrund der Übergangsschrägen kann dieser Bereich nicht als Anschlagfläche z. B. für eine Steckverbindung genutzt werden. Nachteilig ist ferner die durch Stauchen erzeugte Ausbuchtung auf der Außenseite des rohrförmigen Werkstücks. Diese Ausbuchtung verhindert, dass das Werkstück nach seiner Umformung flach auf einer ebenen Fläche abgelegt werden kann. Das Bündeln solcher Werkstücke wird erheblich erschwert.
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Die
JP S60-040 625 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer stufenförmigen Querschnittsverjüngung an einem plastisch verformbaren Hohlkörper, gemäß dem zunächst ein Endabschnitt durch Ziehen kontinuierlich verjüngt wird und anschließend durch Rollieren eine stufenförmige Schulter ausgebildet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Umformverfahren zur Herstellung einer Querschnittsverjüngung an einem rohrförmigen Werkstück anzugeben, mit dem rechtwinklig ausgebildete stufenförmige Übergänge erzeugt werden können, die hochbelastbar sind und insbesondere einer Wechselbiegebeanspruchung und Torsionsbelastung standhalten. Dabei soll die Ausbildung einer nach Außen gerichteten Ausbuchtung im Übergangsbereich vermieden werden.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Umformverfahren nach Patentanspruch 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein rohrförmiges Werkstück aus Metall durch ein Spannwerkzeug gehalten, in einer Umformungszone lokal erwärmt und in der Umformungszone von einem Außenwerkzeug umschlossen. Das Spannwerkzeug erfasst das Werkstück in einem Bereich vor der Umformungszone, der bei einer nachfolgenden Umformung nicht verändert wird, und kann radial angelegt werden. Das Werkstück wird nach dem Anlegen des Außenwerkzeugs mit einem Stauchdorn axial so gestaucht, dass sich die Wandstärke des Werkstücks in der von dem Außenwerkzeug umschlossenen Umformungszone vergrößert.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass der Stauchdorn während des Stauchvorganges direkt an dem erwärmten und nicht festgespannten Teil des Werkstücks angreift und diesen gegen den festgespannten Teil des Werkstückes verschiebt, so dass sich der erwärmte Bereich anstaucht. Vorzugsweise ist der Stauchdorn so geformt, dass er während des Stauchvorganges an einem nicht erwärmten und nicht festgespannten Teil des Werkstücks angreift und diesen gegen den festgespannten Teil des Werkstückes verschiebt und den dazwischen liegenden, erwärmten Abschnitt staucht. Zweckmäßigerweise weist der Dorn eine ringförmige Schulter auf, die an einem Endabschnitt des rohrförmigen Werkstücks anliegt. Ferner taucht der Stauchdorn mit einem Teil in den rohrförmigen Abschnitt des Werkstücks ein, um dort nicht zu verformende Teile des Werkstückes während des Stauchvorganges zu stabilisieren und Knick- und Faltenbildung der Wandung zu verhindern. Der Stauchdorn wird zweckmäßigerweise gekühlt.
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Nach dem Stauchen wird der Querschnitt des rohrförmigen Werkstückes in einen sich von einem Ende bis in die Umformungszone erstreckenden Bereich durch Ziehen verjüngt. Der als "Ziehen" oder "Einziehen" bezeichnete Arbeitsschritt wird dabei "kalt", d. h. zumindest ohne gesonderte Erwärmung der betreffenden Bereiche durchgeführt. Dabei wird ein Ziehring verwendet, der über das Werkstück bis in den Umformungsbereich gezogen wird und an einem Ende einen geringeren Querschnitt aufweist als das unbearbeitete Werkstück. Das Untermaß bewirkt beim Einziehen eine Querschnittsverjüngung des Werkstücks. Zur Verringerung der Reibung kann an der Kontaktfläche des Ziehrings und/oder am Werkstück ein Gleitmittel aufgebracht werden. In einem weiteren Arbeitsschritt wird am Übergang zwischen den beiden Bereichen, die sich hinsichtlich des Werkstückaußendurchmessers unterscheiden, durch rollierendes Umformen eine ringförmige Stufenfläche gebildet. Diese erstreckt sich radial und schließt im Längsschnitt des Werkstücks rechtwinklig an die zylindrischen Außenflächen des rohrförmigen Werkstückes an. Hierbei bezeichnet "Rollieren" eine umformende Bearbeitung, bei der das Werkstück durch umlaufend rotierende und mit Kraft beaufschlagte Wälzkörper plastisch umgeformt wird. Der Versatz zwischen den beiden Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers ist vorzugsweise geringfügig größer als die Wandstärke des unbehandelten Rohlings. Damit lassen sich erfindungsgemäß bearbeitete Werkstücke aufeinanderstecken. Die durch Rollieren geformte, radial ausgerichtete Stufenfläche bildet dabei eine Auflage- und Anschlagfläche für das gerade abgeschnittene Ende eines rohrförmigen Werkstückes.
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Erfindungsgemäß wird ein mehrteiliges Außenwerkzeug verwendet, das gegenüber dem lokal erwärmten Werkstück ein Untermaß aufweist. Hierdurch lässt sich die Ausformung einer Verdickung nach Innen begünstigen bzw. die Ausformung nach Außen verhindern.
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Vorzugsweise erstreckt sich die durch Stauchen erzeugte Wandverdickung ausschließlich in das Innere des rohrförmigen Werkstückes. Hierdurch entsteht an der Übergangsstelle kein störendes Übermaß, welches eine Ablage auf ebenen Flächen und das einfache Bündeln gleichartiger Bauteile erschweren könnte. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, das zur Verfügung stehende Material nach der Stauchung im Inneren des Profils zu konzentrieren, da die direkten Kraftwirkungslinien bei einer Beanspruchung der Übergangsstelle durch das Innere des Werkstücks verlaufen.
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Weiterhin wird das Werkstück bevorzugt vor dem Stauchen durch Prägen so vorbehandelt, dass es in der Umformungszone von einer kreiszylindrischen Form abweicht. Durch diese Maßnahme lässt sich das Verhalten des Werkstücks während des Schließens des Außenwerkzeugs und während des Stauchens beeinflussen. Insbesondere kann bei Verwendung eines Außenwerkzeugs, welches eine Form mit Untermaß bildet, vermieden werden, dass Randabschnitte des Werkstücks in Fugen des Außenwerkzeugs eingequetscht werden. Durch das Prägen erhält das Werkstück im Umformungsbereich beispielsweise eine ovale oder elliptische Form oder einen aus mehreren kreisbogenförmigen Abschnitten gebildeten Querschnitt. Vorzugsweise werden durch das Prägen sickenförmige Vertiefungen im Umformungsbereich des Werkstücks eingeformt.
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In einer bevorzugten Variante wird das Werkstück unmittelbar vor der rollierenden Umformung wieder lokal erwärmt. Vorzugsweise erfolgt zumindest ein Erwärmungsschritt durch Induktion.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig eine Maschine verwendet, die eine Vielzahl von Stauchdornen aufweist, welche bei einer Wiederholung des Verfahrens im Wechsel eingesetzt werden. Hierdurch lassen sich beispielsweise Probleme durch eine betriebsbedingte Aufheizung der Stauchdorne vermeiden, da die Abkühlungszeit eines einzelnen Stauchdorns bei einem vorgegebenen Arbeitstakt, mit dem die Prozessschritte des Verfahrens ausgeführt werden, sich entsprechend der Anzahl der verwendeten Stauchdorne vervielfacht.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Schritte des Verfahrens in zumindest zwei Maschinen durchgeführt, die bei der Durchführung des Verfahrens nacheinander zur Bearbeitung des Werkstücks eingesetzt werden. Dabei nehmen alle Maschinen zweckmäßig die in ihnen durchgeführten Teilschritte des Verfahrens in der gleichen, durch einen Arbeitstakt vorgegebenen Zeitspanne vor. Dies erlaubt eine besonders effiziente Gestaltung des Produktionsprozesses ohne große Zwischenlagerkapazitäten. Ein Werkstück kann bei der Bearbeitung von einer Maschine direkt zur nächsten weitergereicht werden.
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Je nach dem Umformungsgrad, der durch das Ziehen erreicht werden muss, wird das Ziehen in einem Schritt oder in zwei Schritten durchgeführt, wobei im Falle einer zweistufigen Operation Ziehwerkzeuge mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden. Durch die Aufteilung des Ziehvorgangs in mehrere Schritte bzw. Stufen wird die Belastung auf das Material in einem einzelnen Schritt geringer und können die abzustützenden Kräfte reduziert werden. Vorzugsweise wird der Rohrdurchmesser des rohrförmigen Werkstücks in jeder Ziehstufe zwischen 15 % bis max. 30 % reduziert. Die Formulierung "Rohrdurchmesser" bezieht sich auf die Außenabmessung des Werkstücks.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele zeigen, erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 ein rohrförmiges Werkstück (Rohling) als Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt,
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2a bis 2e eine Auswahl möglicher Geometrien bei der Prägung der Umformungszone im Querschnitt,
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3 ein rohrförmiges Werkstück nach einer Stauchung des Rohlings im Längsschnitt,
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4a und 4b das Werkstück am Ende eines ersten und eines zweiten Ziehvorgangs im Längsschnitt und
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5 das Werkstück nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein rohrförmiges Werkstück 1 aus Metall, welches als Rohling für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird. Das Werkstück 1 ist zylindrisch und kann in drei Bereiche unterteilt werden: Beidseits an eine Umformungszone I schließen sich ein Verjüngungsbereich II, dessen Querschnitt im Laufe des Verfahrens verkleinert wird, und ein im Verfahren nicht veränderter Abschnitt III an. In einem typischen Ausführungsbeispiel weist der Rohling einen Außendurchmesser von 48,3 mm und eine Wandstärke zwischen 2,5 mm und 3,5 mm auf. Als Werkstoff ist besonders Stahl und Aluminium geeignet.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das Werkstück zunächst durch Prägen so vorbehandelt, dass es in der Umformungszone I von einer kreiszylindrischen Form abweicht. Die 2a bis 2e zeigen mögliche Querschnittsgeometrien, welche durch das Prägen erzeugt werden. In den 2a und 2b wird der Querschnitt des rohrförmigen Werkstückes 1 an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht, ohne dass es dabei seine konvexe Außenform verliert. Die Querschnittsgeometrien unterscheiden sich in dem Verhältnis von Breite zu Höhe des geprägten Querschnittes und in der Ausprägung des Übergangs zwischen bogenförmigen und abgeflachten Bereichen. Die Querschnittsgeometrien sind an eine elliptische oder ovale Querschnittsform angenähert.
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In den 2c und 2d ist ein Prägeprofil dargestellt, welches an zwei bzw. vier Stellen sickenförmige Vertiefungen aufweist. Die sickenförmigen Vertiefungen erstrecken sich über die Länge der Umformungszone I.
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Eine weitere in 2e dargestellte Querschnittsform setzt sich aus mehreren kreisbogenförmigen Abschnitten zusammen.
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3 zeigt das rohrförmige Werkstück 1 nach einer Stauchung des Rohlings. Zum Stauchen wird der Rohling zunächst lokal innerhalb der Umformungszone I erwärmt, anschließend innerhalb der Maschine gespannt und in der Umformungszone I von einem Außenwerkzeug umschlossen. Zum Spannen des Rohlings wird ein Spannwerkzeug verwendet, welches vor der Umformungszone I in einem Bereich, der durch die Umformung nicht verändert wird, radial an den Rohling angelegt wird. Durch axiales Stauchen wird die Wandstärke des Werkstücks 1 in der Umformungszone I vergrößert (3). In der Wandung entsteht eine lokale Verdickung 2, welche sich ausschließlich nach innen erstreckt. Ein Übermaß des Außendurchmessers liegt nicht vor. Jedoch kann aufgrund des Prägens, des Festspannens und/oder des anschließenden Abkühlens ein geringes Untermaß des Außendurchmessers entstehen.
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Anschließend wird der Querschnitt des rohrförmigen Werkstücks in einem sich von einem Ende bis in die Umformungszone I erstreckenden Bereich II durch Ziehen verjüngt, wobei das Ziehen vorzugsweise in zwei Stufen durchgeführt wird und Ziehwerkzeuge 3 mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden.
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Die 4a und 4b zeigen das Werkstück 1 nach Durchführung des ersten Ziehschrittes (4a) und des zweiten Ziehschrittes (4b). Das für die beiden Ziehschritte unterschiedlich dimensionierte Ziehwerkzeug 3 ist in den 4a und 4b schematisch jeweils in seiner Endstellung dargestellt, in der es vollständig über den zu verjüngenden Bereich II bis in die Umformungszone I bewegt worden ist. Durch das Ziehen ergibt sich in der Umformungszone I eine Übergangsschräge zwischen den Bereichen II und III. Eine definierte Kante ist noch nicht vorhanden.
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Am Übergang zwischen den beiden Bereichen II und III, die sich hinsichtlich des Außendurchmessers unterscheiden, wird abschließend durch rollierendes Umformen eine ringförmige Stufenfläche 4 gebildet (5). Die Stufenfläche 4 erstreckt sich radial und schließt im Längsschnitt des Werkstücks 1 rechtwinklig an die zylindrischen Außenflächen 5, 6 des rohrförmigen Werkstückes 1 im verjüngten Bereich II und im nicht verjüngten Bereich III an. In diesem Zusammenhang bedeutet "rechtwinklig", dass wesentliche Teile der jeweiligen Flächen zueinander rechtwinklig stehen.
