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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur warmen Umformung eines Rohrendes eines Rohres aus induktiv schwer erwärmbarem Material in einem Werkzeug mit einer das Rohr und das Werkzeug gegeneinander entlang einer Längsachse des Rohres verlagernden Verschiebeeinrichtung, wobei das Werkzeug eine einen Umfang des Rohres aufnehmende Formhülse und einen in das Rohr axial eingreifenden, koaxial zur Längsachse angeordneten Formstift sowie eine Induktionsheizung enthält.
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Rohre werden als Funktionsbauteile in weiten Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus beispielsweise zum Fluidtransport, als tragende Maschinenbauelemente und dergleichen verwendet. Hierbei können freimündende Enden oder Anschlüsse an andere Bauteile der Rohre notwendig werden, die einer besonderen Form eines oder beider Rohrenden des Rohres bedürfen. Um derartige Formen herzustellen, werden die Rohre bevorzugt warm umgeformt, indem mittels einer Verschiebeeinrichtung wie Presse ein Rohrende und ein Werkzeug wie Formwerkzeug, das die entsprechende Gegenform aufweist, gegeneinander verlagert werden. Hierbei wird das Rohr entsprechend der gewünschten Anformung gestaucht, wobei das erwärmte Material des Rohrendes plastisch verformt wird. Die Erwärmung der Rohrenden erfolgt dabei – wie beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 835 A1 und der
DE 10 2007 023 173 A1 bekannt – bevorzugt mittels einer Induktionsheizung, indem mittels einer um das Rohrende gelegten Ringschleife in diesem ein Induktionsstrom induziert wird, welcher in Materialien wie Eisen, Stahl und dergleichen mit vergleichsweise geringer elektrischer Leitfähigkeit und/oder infolge von Ummagnetisierungsvorgängen ferromagentischer Ausrichtung eine Integrationswärme direkt im Rohrende bewirkt. Eine Erwärmung kann daher kurzzeitig und zielgenau eingestellt werden, so dass eine Warmumformung zur Erzeugung von Anformungen an den Rohrenden schnell und mit hoher Qualität erfolgen kann. Sollen jedoch entsprechende Anformungen an Rohren aus Materialien mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium und dessen Legierungen, Kupfer und dergleichen angebracht werden, scheitert die induktive Erwärmung dieser Materialien infolge des zu niedrigen Widerstands und der damit gebildeten inneren Reibungswärme. Desweiteren ist bei schlecht elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise Kunststoffen wie Thermoplasten oder Halbleitern der in diesen induzierte Strom gering, so dass bei diesen die erzeugte innere Reibungswärme zu gering ist.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels derer schlecht induktiv erwärmbare Rohre mittels einer Induktionsheizung erwärmt und anschließend deren Rohrenden warm ungeformt werden können.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst. Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
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Das vorgeschlagene Verfahren zur warmen Umformung eines Rohrendes eines Rohres aus induktiv schwer erwärmbarem Material in einem Werkzeug mit einer das Rohr und das Werkzeug gegeneinander entlang einer Längsachse des Rohres verlagernden Verschiebeeinrichtung, wobei das Werkzeug eine einen Umfang des Rohres aufnehmende Formhülse und einen in das Rohr axial eingreifenden, koaxial zur Längsachse angeordneten Formstift sowie eine Induktionsheizung enthält, sieht vor, das Hülsenteil und Formstift aus induktiv gut erwärmbarem Material herzustellen und diese mittels der Induktionsheizung derart zu erwärmen, dass auf einen in das Werkzeug eintauchenden Rohrabschnitt abhängig von einer vorgegebenen Verweildauer im Werkzeug mittels Wärmeleitung zwischen Rohrabschnitt und Werkzeug ein von einem im Werkzeug befindlichen Rohrende her fallender Temperaturgradient aufgebracht und gleichzeitig oder anschließend Werkzeug und Rohr unter Bildung einer von Formstift und Formhülse vorgegebenen Form eine Anformung am Rohr hergestellt wird. Unter schwer erwärmbarem Material sind dabei grundsätzlich Materialien für Rohr zu verstehen, deren elektrische Leitfähigkeit so hoch ist, dass deren innerer Widerstand keine ausreichende Reibungswärme bei aufgeprägten Induktionsströmen erzeugt. Alternativ oder zusätzlich können Materialien schlecht induktiv erwärmbar sein, die im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Nickel und dergleichen keine innere Wärme erzeugende Ummagnetisierungsvorgänge zeigen. Desweiteren können darunter auch schwer induktiv erwärmbare Materialien zu verstehen sein, die nicht mit einer induktiv leicht erwärmbaren Schicht wie Eisen- oder Stahlbeschichtung versehen werden können, um beispielsweise den Skin-Effekt der induktiven Erwärmung nutzen zu können. Weiterhin können auch Materialien mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit, deren induzierte Reibungswärme daher schlecht ist, mittels des vorgeschlagenen Verfahrens erwärmt werden.
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Mittels der Einstellung eines Temperaturgradienten über einen Rohrabschnitt des Rohres kann bei hoher, am Rohrende vorgesehener Erwärmungstemperatur die Umformung entlang eines sich anschließenden Rohrabschnitts auf den Umformungsvorgang abgestimmt wer- den, während anschließend das Rohr soweit erwärmt wird, dass keine durch die Umformung bedingten Materialspannungen entstehen. Dementsprechend wird über einen vorgegebenen Rohrabschnitt, beispielsweise den in das Werkzeug eingeführten Rohrabschnitt des Rohrs der Temperaturgradient zwischen einer vorgegebenen Umformtemperatur am Rohrende und einer Vorwärmtemperatur eingestellt.
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Zur vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens und einer zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung werden die zu erzielenden Temperaturen und Temperaturgradienten durch eine entsprechende Auslegung der Vorrichtung, insbesondere der Induktionsheizung und des Werkzeugs und/oder entsprechende Steuerverfahren des Vorschubs zwischen Werkzeug und Rohr, der Verweilzeiten des Rohrabschnitts im Werkzeug des Generators zur Abgabe einer vorgegebenen Leistung und dergleichen entsprechend empirisch ermittelt. Weiterhin können die vorgesehenen Temperaturen und Temperaturgradienten eingestellt werden, indem die Induktionsheizung zur Einstellung des auf Eigenschaften des Rohres abgestimmten Temperaturgradienten gegenüber dem Werkzeug entlang der Längsachse des Rohres verlagert wird.
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Die relative Verlagerung von Werkzeug und Rohr gegeneinander zur plastischen Verformung des erwärmten Rohrabschnitts erfolgt mittels einer Verschiebeeinrichtung, beispielsweise einer hydraulischen Presse. Hierbei kann das Werkzeug bei feststehendem wie fest eingespanntem Rohr oder das Rohr bei feststehendem Werkzeug axial entlang der Längsachse des Rohrs verlagert werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Rohr beispielsweise hydraulisch fest eingespannt und das Werkzeug samt der Induktionsheizung axial verlagert. Das Werkzeug kann dabei soweit axial verlagert oder aus der Längsachse ausgeschwenkt werden, dass weitere Werkzeuge der Vorrichtung, beispielweise eine Vorwärmeinrichtung, Vor- und/oder Endbearbeitungswerkzeuge den Rohrabschnitt vor der plastischen Umformung vorbereiten und nach dem Umformvorgang nachbearbeitet, beispielsweise endseitig abschleifen können. Eine Vorbereitung kann beispielsweise mittels eines Ofens wie Elektroofens erfolgen, indem bevorzugt mittels Wärmestrahlung der umzuformende Rohrabschnitt vorgewärmt wie angelassen wird.
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Die plastische Verformung des erwärmten Rohrabschnitts erfolgt vor oder während des Erwärmens des Rohrabschnitts, indem sich Rohrende und Formstift auf eine vorgegebene Endposition annähern. Hierdurch wird der erwärmte Rohrabschnitt gestaucht und in den zwischen Formstift und Formhülse ausgesparten Ringraum gepresst. Je nach erwünschter Form bilden dabei Formstift und Formhülse die Negativform. Beispielsweise wird der Formstift axial in die Rohrmündung eingetaucht und staucht den Innendurchmesser bei durch die Formhülse verringertem Außendurchmesser unter Erhöhung der Wandstärke des Rohrabschnitts.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur warmen Umformung eines Rohrendes eines Rohres aus induktiv schwer erwärmbarem Material enthält ein Werkzeug mit einer einen Umfang des Rohres aufnehmenden Formhülse und einem in das Rohr axial eingreifenden, koaxial zur Längsachse angeordneten Formstift, eine Verschiebeeinrichtung zur Verlagerung von Rohr und Werkzeuge gegeneinander entlang der Längsachse des Rohres sowie eine Induktionsheizung, wobei Hülsenteil und Formstift aus induktiv gut erwärmbarem Material hergestellt sind, eine Erwärmung des Werkzeugs mittels der Induktionsheizung und eine Erwärmung eines in das Werkzeug eintauchenden Rohrabschnitts des Rohres mittels einer Wärmeleitung zwischen Werkzeug Rohrabschnitt entlang eines von einem im Werkzeug befindlichen Rohrende her fallender Temperaturgradienten vorgesehen ist.
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Zur verbesserten Ankoppelung des Werkzeugs an die Induktionsheizung können um die als Matrize dienenden Bauteile, beispielsweise ein Formstift und/oder eine Formhülse weitere, induktiv ankoppelnde Werkzeugteile vorgesehen sein. Desweiteren können Matrize und zusätzliche Bauteile in einem induktiv ankoppelnden oder nicht ankoppelnden Gehäuse angeordnet sein, so dass das Werkzeug als separate Baueinheit ausgebildet ist. Das Werkzeug ist bevorzugt zentriert und axial verschiebbar mit der Induktionsheizung gekoppelt, so dass zur Abstimmung der an dem Rohrabschnitt zu erzielenden Temperaturen und Temperaturgradienten die Induktionsheizung mit der nötigen Längenauflösung gegenüber dem Werkzeug axial längs der Längsachse des Rohres verlagerbar ist. In besonderen Anwendungsfällen insbesondere bei um die Längsachse nicht radialsymmetrischen Anformungen am Rohrabschnitt kann es vorteilhaft sein, die Induktionsheizung zusätzlich radial gegenüber dem Werkzeug verlagerbar auszubilden.
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Zur Einstellung von Umformtemperaturen und Temperaturgradienten abhängig vom Material des Rohres, dessen Wandstärke, Durchmesser, Länge und Form des umzuformenden Rohrabschnitts werden das Werkzeug und dessen Bestandteile sowie gegebenenfalls die Induktionsheizung aufeinander empirisch und/oder anhand von simulierten Temperaturmodellen abgestimmt. Hierzu wird beispielsweise mittels einer unterschiedlichen Form, Wär- meleitfähigkeit und/oder Material mit induktiv wärmekoppelnden Eigenschaften des Werkzeugs, eine vorgegebene Axialposition der Induktionsheizung gegenüber dem Werkzeug und/oder eine vorgegebene Leistung eines Generators der Induktionsheizung vorgesehen.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Temperaturgradient ausgebildet, indem ein umzuformender Rohrabschnitt zweistufig in das Werkzeug, das heißt, in eine Formhülse mit einem den Außendurchmesser des Rohres passgenau aufnehmenden Innendurchmesser eingeführt wird. Um ein verbessertes Gleitverhalten des Rohres in der Formhülse und/oder einen verbesserten Wärmeübergang zwischen eingeführtem Rohrabschnitt und Führungshülse zu erzielen, kann ein entsprechendes Schmier- oder Gleitmittel vorgesehen werden. In einer ersten Vorwärmstufe wird der umzuformende, kalte Rohrabschnitt des Rohrs lediglich teilweise in das Werkzeug eingeschoben, ohne beispielsweise den Formstift zu berühren. In dieser Vorwärmstufe, die beispielsweise 2 bis 10 s gehalten werden kann, wird durch den kalten Rohrabschnitt mittels Wärmefluss der endseitige Teil des Werkzeugs bei gleichzeitiger Erwärmung des vorderen Teils des Rohrabschnitts abgekühlt und damit ein Temperaturgradient im Werkzeug eingestellt. In einem zweiten Schritt wird das Rohr und damit der Rohrabschnitt weiter in die Pressstufe verlagert, bei der die Anformung des Rohrabschnitts erfolgt. Hierbei wird das Ende des Rohrabschnitts unter heißen Bedingungen nahe des oder am Schmelzpunkt des Rohres umgeformt, während der nachgeschobene Rohrteil im kühleren Bereich des Werkzeugs wesentlich unterhalb des Schmelzpunkts in einem Temperaturbereich gehalten wird, in dem keine durch den Formprozess verursachte Spannungen erzeugt werden oder erhalten bleiben.
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Alternativ oder insbesondere zusätzlich bei stark wechselnden oder nicht reproduzierbaren Taktzeiten eines Produktionszyklus von Rohren mit der vorgeschlagenen Anformung kann nahe dem Ende wie Stirnseite des Werkzeugs, welches dem Rohr zugewandt ist, eine Flüssigkeitskühlung des Werkzeugs, beispielsweise eine Wasserkühlung vorgesehen sein. Diese kann nahe dem Innenumfang der Formhülse ausgebildet sein oder zumindest auf diese ausstrahlen. Eine derartige Flüssigkeitskühlung ist steuerbar vorgesehen, beispielsweise indem der Flüssigkeitsfluss gesteuert wird, so dass gezielt ein Temperaturgradient im Werkzeug eingestellt werden kann.
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Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung können beispielsweise Rohre aus einer Aluminiumlegierung mit einem Außendurchmesser zwischen 15 mm und 50 mm, mit Wandstärken von beispielsweise 1,5 mm bis 2 mm besonders vorteilhaft bearbeitet werden. Ein vorteilhafter Rohrabschnitt kann dabei plastisch beispielsweise über eine axiale Länge von 17 mm und 32 mm auf einen Innendurchmesser zwischen 6 mm und 13 mm und einen Außendurchmesser zwischen 14 mm und 19 mm verformt werden. Hierbei wird mittels einer Umformtemperatur von ca. 480° C bis 510 ° C am Rohrende und einer hierzu beispielsweise an einem Übergang zum nicht umgeformten Bereich des Rohrs angelegten Vorwärmtemperatur zwischen 380° C und 410° C ein Temperaturgradient von ca. 100°C am umzuformenden Rohrabschnitt eingestellt. Das Rohr kann zuvor in einem Ofen mit einer Anlasstemperatur zwischen 480° C und 510° C vorgewärmt werden. Die Verfahrgeschwindigkeit der Verschiebeeinrichtung kann beispielsweise 6 bis 9 mm/s betragen. Je nach Durchmesser, Wandstärke, neu geformter Wandstärke, axialer Länge der Anformung und dergleichen kann das Rohr um beispielsweise 40 mm bis 160 mm gestaucht werden. Für den plastischen Umformvorgang werden typischerweise 200 kN bis 300 kN aufgewendet. Derartige hergestellte endseitig bevorzugt beidseitig umgeformte Rohre aus Aluminium eignen sich insbesondere zur Verwendung im Luftfahrzeug- und Kraftfahrzeugbau. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Umformung der hier detailliert aufgeführten Umformbeispiele begrenzt ist. Vielmehr sind von dieser alle Ausführungsformen von Anformungen an Rohrenden von Rohren umfasst, die mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung darstellbar sind.
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Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung entlang der Längsachse des umzuformenden Rohres.
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Die Vorrichtung 1 enthält das Werkzeug 2, die Induktionsheizung 3, die nur angedeutete Verschiebeeinrichtung 4 und die Halteeinrichtung 5 zur gegenüber dem Werkzeug 2 zentrierten und axial festen Einspannung des Rohres 6. Das Rohr 6 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel direkt nach dem ausgeführten Umformprozess dargestellt. Am anderen Ende des Rohres 6 ist bereits eine Anformung 23a fertiggestellt. Der Stempel 7 der Verschiebeeinrichtung 4, beispielsweise einer hydraulischen Pumpe nimmt mittels des Flanschteils 9 das Werkzeug 2 auf. Die Halteeinrichtung 5 ist über einen nicht dargestellten Rahmen, Halter oder dergleichen mit einem Gehäuse der Verschiebeeinrichtung derart verbunden, dass eine engtolerierte, feste Zuordnung zwischen dem Werkzeug 2 und Halteeinrichtung 5 vorgesehen werden kann. Die Halteeinrichtung 5 weist zumindest zwei Klemmböcke 8 auf, die das Rohr 6 axial fest und zentriert beispielsweise hydraulisch verklemmen.
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Das Flanschteil 9 ist fest mit dem Gehäuse 10 des Werkzeugs 2 verbunden. In dem Gehäuse 10 sind zwischen dem Anschlag 11 und der mit dem Gehäuse 10 verschraubten Deckscheibe 12 die Ausgleichsscheibe 13, der Außenring 14, die Stützscheibe 15, und die Außenringe 16, 17 axial fest aufgenommen. Radial innerhalb der Außenringe 16, 17 ist die Matrize 18 mit dem Formstift 19 und der Formhülse 20 aufgenommen. Der Formstift 19 weist den radial erweiterten Ringbord 21 auf und ist damit beidseitig axial fest in dem Zwischenring 22 aufgenommen. Die Matrize 18 ist auf das Rohr 6 und die auszubildende Anformung 23 an diesem abgestimmt, während die übrigen Bauteile modulartig aufgebaut und für mehrere Anwendungen unterschiedlicher Rohre und deren Anformungen verwendbar sind.
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Die Ausbildung der Innenteile des Gehäuses 10 erfolgt abhängig von der auszubildenden Anformung 23 entlang des in das Werkzeug 2 eingebrachten Rohrabschnitts 24 und den hier einzustellenden Temperaturen mit einem vorgegebenen Temperaturgradienten, der vom Rohrende 25 her über den Rohrabschnitt bis während der Umformung konstant bleibendem Durchmesser dr an der Position A des Rohrabschnitts 24 um beispielsweise 100°C abfallen soll. Am Rohrende 25 soll dabei beispielsweise eine Temperatur nahe oder gleich der Schmelztemperatur, beispielsweise 495° C anliegen, um eine plastische Warmumformung zu erzielen. Die außerhalb des Gehäuses 10 um dieses mit radialem Abstand gewickelten und bevorzugt aus Kupfer hohl und innen gekühlt ausgebildeten Windungen 26 der Induktionsheizung 3 erwärmen dabei induktiv je nach Material und konstruktiver Ausbildung des Gehäuses 10 und dessen Innenteile. Gehäuse 10 und Innenteile sind bevorzugt aus gut induktiv erwärmbarem Material wie Stahl ausgebildet.
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Im Weiteren werden die Temperatur und der Temperaturgradient zur Ausbildung der Anformung 23 durch den nicht dargestellten Generator gesteuert, der auf die Windungen 26 einen Induktionsstrom abhängig von dessen Programmierung aufprägt. Die Steuerung des Generators erfolgt beispielsweise abhängig von den in der Formhülse 20 und in den Außenring 17 eingebrachten Temperaturfühler 27, 28. Insbesondere der Temperaturgradient wird zumindest anteilig durch eine bei der Einstellung der Produktionsparameter abhängig von dem an einem Rohr 6 auszubildenden Anformung 23 mittels der axialen Lage der Induktionsheizung 3 beziehungsweise deren Windungen 26 eingestellt. Hierzu werden die beispielsweise auf einer axialen Verschiebeeinrichtung an dem Gehäuse 10 aufgenommenen Windungen 26 gegenüber dem Werkzeug um einen vorgegebenen, beispielsweise empirisch ermittelten Abstand B axial verlagert. Infolgedessen wird der dem Rohr 6 zugewandte Bereich des Werkzeugs 2 wenig aufgeheizt und ein Temperaturgradient zwischen dem Formbereich 29 und dem vorwärmenden Bereich der Position A des Werkzeugs 2 stellt sich ein, was wiede- rum zur Folge hat, dass das Rohrende 25 mit dem Bereich der Anformung 23 stärker als der Bereich an der Position A des Rohrabschnitts 24 erwärmt wird.
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Eine Einstellung des Temperaturgradienten kann weiterhin durch die Prozessführung zumindest anteilig ausgebildet werden. Beispielsweise wird in einem zweistufigen Verfahren der Rohrabschnitt 24 zuerst nur teilweise, beispielsweise bis das Rohrende 25 an der Querschnittsverengung 30 der Formhülse 20 abstößt, in die Formhülse 20 eingeführt und für eine vorgegebene Haltezeit, beispielsweise 2 bis 10 s in eine Vorwärmstellung gebracht. Durch den kalten eingeführten Rohrabschnitt 24 wird der von dem Rohrabschnitt 24 kontaktierte Bereich der Formhülse 20 abgekühlt. Anschließend wird das Rohrende 25 unter Ausbildung der Anformung 23 an den Anschlag 31 des Formstifts 19 gepresst. Hierbei ist der Formbereich der Matrize 18 aufgrund des zweistufigen Verfahrens des Rohrs 6 wärmer als der Anlagebereich des Rohrabschnitts 24 an der Formhülse. Die zweistufige Ausbildung des Verfahrweges des Rohrs 6 entlang dessen Längsachse x eignet sich insbesondere für eine Herstellung einer Vielzahl von Rohren 6 bei vorgegebenen Taktzeiten, so dass durch die laufende Zuführung von kalten Rohren 6 ein stabiler Temperaturgradient eingestellt werden kann.
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Sollte in speziellen Anwendungsfällen eine ausreichende Einstellung eines Temperaturgradienten nicht zuverlässig einstellbar sein, weil beispielsweise eine Taktrate der Herstellung von Anformungen 23 an den Rohren 6 unregelmäßig ist, kann das Werkzeug mit der Flüssigkeitskühlung 32 versehen sein, bei der im Werkzeug 2 eine – hier zwischen Außenring 17 und Formhülse 20 eingebrachte ringförmige – Kühlnut 33 am dem Rohr 6 zugewandten Ende des Werkzeugs 2 vorgesehen ist. Durch eine Steuerung des Durchflusses von Kühlmittel, bevorzugt Wasser durch die Kühlnut 33 kann eine besonders effektive Kühlung des endseitigen Bereichs des Werkzeugs 2 und damit ein gut einstellbarer Temperaturgradient erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkzeug
- 3
- Induktionsheizung
- 4
- Verschiebeeinrichtung
- 5
- Halteeinrichtung
- 6
- Rohr
- 7
- Stempel
- 8
- Klemmbock
- 9
- Flanschteil
- 10
- Gehäuse
- 11
- Anschlag
- 12
- Deckscheibe
- 13
- Ausgleichsscheibe
- 14
- Außenring
- 15
- Stützscheibe
- 16
- Außenring
- 17
- Außenring
- 18
- Matrize
- 19
- Formstift
- 20
- Formhülse
- 21
- Ringbord
- 22
- Zwischenring
- 23
- Anformung
- 23a
- Anformung
- 24
- Rohrabschnitt
- 25
- Rohrende
- 26
- Windung
- 27
- Temperaturfühler
- 28
- Temperaturfühler
- 29
- Formbereich
- 30
- Querschnittsverengung
- 31
- Anschlag
- 32
- Flüssigkeitskühlung
- 33
- Kühlnut
- A
- Position
- B
- Abstand
- dr
- Durchmesser
- x
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015835 A1 [0002]
- DE 102007023173 A1 [0002]
