-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Innenhochdruckumformen mit Endennachschub und insbesondere die Verwendung von mindestens einer lösbaren Dichtung (Mehrstufendichtung) zum Reduzieren und Eingrenzen von Reibung während des Endennachschubs. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung einen Endstempel zum Endennachschub in einem Hochdruckumformverfahren, aufweisend einen zur Übertragung einer Endennachschubkraft auf einen Rohling ausgebildeten Körper, wobei der Körper an einem Basisende eine Auflageoberfläche zum Aufnehmen der Endennachschubkraft aufweist; einen Dornabschnitt an einem dem Aufnahmeende entgegengesetzten Einführende, wobei der Dorn eine Form und eine Größe zum Einführen in einen Durchgang des Rohlings aufweist; und eine Eingriffsoberfläche zum Greifen des Rohlings an dessen Durchgang. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Endennachschub in einem Hochdruckumformverfahren sowie einen Bausatz.
-
Allgemeiner Stand der Technik
-
Das Innenhochdruckumformen (IHU) ist ein relativ neues Verfahren zum Herstellen von Strukturbauteilen in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt-, der Automobil- und der Schiffsbauindustrie. Verglichen mit den herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Stanzen und Schweißen bietet dieses Verfahren zahlreiche Vorteile, beispielsweise ein niedrigeres Gewichts- zu Steifigkeits-Verhältnis im Bauteil, eine bessere Spannungsverteilung im entstehenden Teil sowie einen geringeren Aufwand zum Formen von Verbindungsstellen oder Konturen einschließlich komplexer Formen. Darüber hinaus kann IHU schärfere Ecken erzeugen und es ist damit einfacher, eine Vielfalt von Formen herzustellen, die durch Formen und Verschweißen mehrerer Teile schwierig herstellbar sind.
-
Eine schematische Darstellung einer Hochdruckumformpresse ist in 1 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird ein rohrförmiger Rohling 10 in ein Formwerkzeug 12 eingebracht und das Formwerkzeug wird geschlossen. Wenngleich der dargestellte Rohling 10 gerade ist und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist es bekannt, einen vorgebogenen/vorgeformten Rohling mit einer Vielfalt von Querschnitten zu verwenden, und wenngleich das dargestellte Formwerkzeug 12 symmetrische Wände aufweist, ist es bekannt, dass eine breite Vielfalt von Formwerkzeugformen möglich sind. Daraufhin werden die Enden des Rohres durch Endstempel 15 abgedichtet, welche darin Durchgänge 16 zum Einspritzen und Abziehen eines mit Druck beaufschlagten Fluids aufweisen (bei dem es sich, wie der Name vermuten lässt, um Wasser handeln kann, aber auch um andere Flüssigkeiten oder Gase). Während die Endstempel 15 das Innenvolumen des Rohlings 10 abdichten, wird das mit Druck beaufschlagte Fluid eingebracht, und der Rohling 10 wird plastisch verformt, bis er die Form der Formwerkzeugkavität annimmt. Das mit Druck beaufschlagte Fluid wird abgezogen, das Formwerkzeug geöffnet, und das geformte Teil entnommen.
-
Eine der größten Einschränkungen in Bezug auf IHU ist die Umformbarkeit des Materials. Um sich an eine von der unbelasteten Rohlingswandung im Wesentlichen weit entfernte Formwerkzeugwandung anzupassen, muss das Rohlings-Material erhebliche duktile Beanspruchbarkeit aufweisen. Nachdem die Dehnung des Materials ausgereizt wurde, kann sich das Rohr nicht mehr sicher weiterverformen, ohne zu brechen. Selbst vor dem Bruch führt punktuelles Verdünnen in den Bereichen, wo der Rohling verformt wird, im Allgemeinen zu einer Schwächung des Materials und kann nicht erstrebenswert sein. Um die Dicke an kritischen Stellen in hochdruckumgeformten Teilen unter Kontrolle zu halten, muss entweder das Material des Rohlings geändert werden (d.h. durch ein verformbareres Material ersetzt werden), oder die Dicke des Materials muss erhöht werden. Bei vielen Anwendungen ist keine dieser Optionen vorzuziehen, da beide zu Änderungen der mechanischen Eigenschaften, der Kosten, des Gewichts und des Betriebsverhaltens des Endprodukts führen können. Für gewöhnlich wäre es vorzuziehen, die Umformbarkeit des Materials während des Hochdruckumformverfahrens durch Nachschieben von mehr Material zu der Expansions/Verformungs-Zone zu erhöhen. Dies kann durch Aufbringen von mehr Kraft an den Enden des Rohres als erforderlich ist, um eine Abdichtung zwischen dem Rohr und den Stempeln aufrechtzuerhalten, realisiert werden.
-
Auf diese Weise wandern die Rohrenden in Richtung einer Mitte der Formwerkzeugkavität, wodurch der Verformungszone mehr Material zugeführt wird. Dies wird als Endennachschub bezeichnet und ist in der frei zugänglichen Literatur bestens bekannt und wird darin besprochen. Demnach ist bekannt, während der Beaufschlagung mit Druck und der Verformung über Endstempel 15 eine Kompressionskraft auf den Rohling 10 aufzubringen. Die Kompressionsbeaufschlagung macht die Erfordernisse für die Endstempel 15 und das Formwerkzeug 12 etwas komplexer, kann jedoch eine Reihe von Produkten und Eigenschaften der Produkte, die mittels einer Innenhochdruckumformvorrichtung hergestellt werden können, erheblich verbessern.
-
Leider gibt es mehrere Einschränkungen in Bezug darauf, wie viel Endennachschub ein System leisten kann. Nicht zuletzt ist ein Problem jenes der Reibung in Anpressbereichen 17 des Systems, d.h. wo die Endstempel 15 am Rohling 10 abdichten und der Rohling 10 durch das Formwerkzeug 12 getragen wird, um eine Ausdehnung des Rohlings 10 nahe seinen Enden zu verhindern. Der Fluiddruck an dem Endennachschubbereich des Rohres ist gleich dem Druck, der innerhalb des Rohres erzeugt wird. Hier wirkt ein erheblicher Vorteil des Hochdruckumformverfahrens – die Tatsache, dass ein einheitlicher Druck gleichmäßig über die innere Oberfläche des Rohlings 10 aufgebracht wird – dem Wunsch nach erheblichem Endennachschub entgegen, indem die Reibung dem Endennachschub entgegenwirkt und daher eine größere Kraft erfordert und diese Reibung die Kavität in den Anpressbereichen 17 wie auch die Endstempel 15 verschleißt.
-
Ferner beginnt beim typischen herkömmlichen Endennachschub in den meisten Fällen das Material an dem Endennachschubbereich aufgrund der Reibung umzuknicken oder dicker zu werden (geknautscht zu werden oder sich zu verdicken), was zu weiteren Artefakten führt, die für gewöhnlich in den Endprodukten nicht erwünscht sind (welche dazu führen können, dass Material verschwendet wird, welches entfernt werden muss), wodurch die Effizienz des Endennachschubs weiter reduziert wird, insofern als weniger nachgeschobenes Material in die Mitte der Kavität getrieben wird. Dies erfordert ferner, dass für ein gewünschtes Maß an Endennachschub weiter in das Formwerkzeug hinein, mehr Kraft auf die Rohrenden aufgebracht werden muss. Diese zusätzliche Kraft verschlimmert wiederum die Reibung und das Umknicken.
-
Endennachschub muss nicht auf IHU beschränkt sein. Jede wirksam verschlossene Kammer mit einer oder mehreren Öffnungen, die abgedichtet werden können, um einen geschlossenen Hohlraum zu bilden, kann mit einem analogen Hochdruckumformungsverfahren geformt werden, und Endennachschub kann überall dort angewandt werden, wo ausreichende Auflage für den Endennachschub anzutreffen ist. Die Verfügbarkeit und kostengünstige Produktion von rohrförmigen Rohlingen und die Tatsache, dass Rohre entgegengesetzte Enden aufweisen, welche das Entgegenwirken zweier Endennachschubkräfte ermöglichen, machen IHU zu einem Hauptanwendungsbereich für die vorliegende Erfindung.
-
Aus der Druckschrift
DE 199 54 989 A1 ist ein Endstempel zum Endennachschub in einem Hochdruckumformverfahren bekannt, bei dem durch Trennen des Endennachschubbereichs von dem inneren Druck die Reibung zwischen dem Rohr und dem Formwerkzeug stark reduziert wird und infolgedessen die Endennachschubkraft, die erforderlich ist, um Material der Expansionszone zuzuführen, stark reduziert wird. Dabei kommt jedoch dem elastischen Material hinter der Innendichtung keine Dichtungswirkung zu, so dass die axiale Position der Abdichtung des Rohres während eines Endennachschubvorgangs unverändert bleibt. Damit ist ein Endennachschub also nur solange möglich, wie eine Dichtfunktion der ersten Dichtung gewährleistet werden kann.
-
Demnach besteht ein Bedarf an einem Verfahren für das Nachschieben von Enden, welches die Reibung in dem Anpressbereich reduziert, wodurch mehr Endennachschub und/oder weniger Verschleiß an den Teilen in dem Anpressbereich ermöglicht wird.
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Reibung zwischen dem Rohr und dem Formwerkzeug stark zu reduzieren und in Folge dessen die Endnachschubkraft, die erforderlich ist, um das Material der Expansionszone zuzuführen, stark zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch einen Endstempel zum Endennachschub mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängen Unteransprüchen.
-
Der Anmelder hat entdeckt, dass durch Trennen des Endennachschubbereichs von dem inneren Druck die Reibung zwischen dem Rohr und dem Formwerkzeug stark reduziert wird und infolgedessen die Endennachschubkraft, die erforderlich ist, um Material der Expansionszone zuzuführen, stark reduziert wird. Mittels der ausgeklügelten Nutzung von Dichtungen kann der Expansionszone mit weniger Kraft und weniger einhergehendem Verschleiß an den Teilen im Anpressbereich mehr Material zugeführt werden.
-
Dementsprechend wird ein Endstempel zum Endennachschub in einem Hochdruckumformverfahren bereitgestellt. Der Endstempel umfasst einen Körper, der dazu ausgebildet ist, eine Endennachschubkraft auf einen Rohling zu übertragen, wobei der Körper an einem Basisende eine Auflageoberfläche zum Aufnehmen der Endennachschubkraft aufweist; einen Dornabschnitt an einem dem Aufnahmeende entgegengesetzten Einführende, wobei der Dorn eine Form und Größe zum Einführen in einen Durchgang des Rohlings aufweist; und eine Eingriffsoberfläche zum Greifen des Rohlings an dessen Durchgang. Der Dornabschnitt weist eine oder mehrere Dichtungen auf, welche einen Dichtbereich zur Abdichtung an einem Innenvolumen des Rohlingdurchgangs definieren, wobei sich der Dichtbereich über eine Länge des Rohlings erstreckt, wobei die Länge groß genug ist, so dass während eines Endennachschubvorgangs eine Abdichtung an einer axialen Position des Rohres aufgrund der Aufweitung des Rohlings verloren geht und eine Abdichtung an einer axialen Position, an der der Rohling weniger Aufweitung erfahren hat, bestehen bleibt.
-
In manchen Ausführungsformen umfasst der Körper einen Fluidverbindungsdurchgang zum Leiten eines Hochdruckfluids zwischen dem abgedichteten Innenvolumen des Rohlings und einem einer mit Druck beaufschlagten Fluidversorgung.
-
Der Körper kann vielteilig ausgebildet sein, umfassend ein unabhängig befestigbares oder entfernbares Modul für jede von einer Vielzahl von Dichtungen, oder er kann einteilig ausgebildet sein und eine Vielzahl von unabhängig entfernbaren Dichtungen aufweisen. Der Körper kann im Allgemeinen zylindrisch sein, und die Auflageoberfläche an dem Basisende kann einen größeren Durchmesser als der Dorn aufweisen.
-
Die Auflageoberfläche kann ein Adapter zum Ankoppeln des Endstempels an einen Druckkolben aus der Gruppe umfassend Pneumatikzylinder und Hydraulikzylinder sein.
-
Der Dornabschnitt kann über den Dichtbereich eines oder mehrere der Folgenden aufweisen: einen selben Querschnitt; eine selbe Querschnittsfläche; eine selbe Querschnittsform; eine selbe Querschnittsform und -ausrichtung; eine selbe Querschnittsform mit einer Krümmung und/oder Verwindung entlang des Dornabschnittes; einen kreisförmigen Querschnitt; einen elliptischen Querschnitt; und einen bis auf eine oder mehrere abgeflachte Seiten kreisförmigen Querschnitt.
-
Der Dichtbereich kann mehr als 2 cm lang, mehr als 5 cm lang oder mehr als 10 cm lang sein. Die Länge des Dichtbereiches kann mehr als ein mittlerer Radius des AD des Dornabschnitts oder mehr als das Zwei- bis Vierfache des mittleren Radius des AD des Dornabschnitts sein. Der Dichtbereich kann eine Vielzahl von unabhängig lösbaren Dichtungen für das aufeinanderfolgende Lösen während des Endennachschubs umfassen. Beispielsweise umfasst die Vielzahl von unabhängig lösbaren Dichtungen: mindestens eine torische Dichtung; 2–5 Dichtungen; mindestens eine torische Dichtung mit einem Profil in Form eines O (massiv oder hohl), X, U, V, T, Quadrats (massiv oder hohl), Sterns oder Sternchens; eine proximale Dichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Lippe des Rohlings abzudichten; eine proximale Dichtung mit einem Querschnitt in Form eines "Pac-Man"-Symbols oder L; eine distale Dichtung, die eine Einführspitze des Einführendes definiert; verschiedene Dichtungsarten, -kaliber, -festigkeiten oder -größen; eine Dichtung, die als Teil einer Dichtungseinheit kompressionsaktiviert wird; eine Dichtung, die als Teil einer Dichtungseinheit kompressionsaktiviert wird, wobei die Aktivierung durch elektrische, elektromagnetische, fluiddynamische und/oder mechanische Betätigung erfolgt. Der Endstempel kann ferner Distanzstücke zum Trennen der Vielzahl von lösbaren Dichtungen umfassen.
-
Ebenso wird dementsprechend auch ein Verfahren zum Endennachschub bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Einbringen eines Rohlings in ein Hochdruckumform-Formwerkzeug, wobei ein Durchgangsabschnitt des Rohlings in einem Eintrittsdurchgang des Formwerkzeugs liegt; Einführen eines Dornabschnitts des Endstempels in den Durchgangsabschnitt des Rohlings; Inkontaktbringen einer Eingriffsoberfläche des Endstempels mit dem Durchgangsabschnitt des Rohlings; Herstellen einer ersten Dichtung zum Abdichten des Endstempels gegen ein Innenvolumen des Rohlings an einer von dem Durchgangsabschnitt fernen ersten Position; Einbringen eines Hochdruckumformfluids in das Innenvolumen des Rohlings, um den Rohling nach außen aufzuweiten, und Endennachschub des Rohlings durch Aufbringen einer Endennachschubkraft auf den Endstempel, welcher die Kraft an der Eingriffsoberfläche auf den Rohling überträgt, während die erste Dichtung einen Abschnitt des Rohlings von dem Durchgang zu der ersten Dichtung von dem Fluiddruck trennt; Aufweiten des Rohlings, bis sich die erste Dichtung löst; und Aufrechterhalten einer zweiten Dichtung zwischen dem Rohling und dem Endstempel an einer Position innerhalb des Durchgangs. Es versteht sich von selbst, dass die Reihenfolge dieser Verfahrensschritte im Allgemeinen irrelevant ist, abgesehen davon, was logisch erforderlich ist. Beispielsweise ist es unmöglich, die erste Dichtung herzustellen, ehe der Dornabschnitt in den Durchgangsabschnitt des Rohlings eingeführt wird.
-
Das Einbringen des Hochdruckumformfluids kann das Einspritzen des Hochdruckumformfluids durch einen Fluiddurchgang, welcher sich durch den Endstempel erstreckt, umfassen.
-
Ein vorangehender Schritt des Vorkonfigurierens des Endstempels zum Herstellen der ersten und der zweiten Dichtung an geeigneten Positionen für das Formwerkzeug, des Rohlings, des Drucks und der Temperatur des Umformfluids und des Endennachschubvorgangs kann durchgeführt werden.
-
Das Herstellen der ersten Dichtung kann das Betätigen einer Dichtungseinheit, um die Abdichtung zu realisieren, umfassen.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst das Einbringen des Rohlings in das Hochdruckumform-Formwerkzeug das Anordnen einer Vielzahl von Durchgangsabschnitten des Rohlings in entsprechende jeweilige Eintrittsdurchgänge des Formwerkzeugs; das Einführen des Dornabschnitts des Endstempels umfasst das Einführen von jeweiligen Dornabschnitten von jeweiligen Endstempeln in jeden aus der Vielzahl von Durchgangsabschnitten; und das Inkontaktbringen der Eingriffsoberfläche des Endstempels mit dem Durchgangsabschnitt des Rohlings wird für jeden Endstempel an jedem Durchgangsabschnitt durchgeführt. Der Endennachschub kann an zwei oder mehreren der Endstempel durchgeführt werden. In diesem Fall kann bevorzugt sein, dass Kräfte des Endennachschubs im Wesentlichen ausgewogen sind, beispielsweise wie dies vorgesehen wird, wenn der Rohling rohrförmig ist und der Endennachschub koaxial an zwei entgegengesetzten Enden vorgesehen wird.
-
Demzufolge wird auch ein Bausatz bereitgestellt, wobei der Bausatz umfasst: einen Endstempel mit einem Körper zum Übertragen einer Endennachschubkraft auf einen Rohling, wobei der Körper einen Dornabschnitt zum Einführen in einen Rohling aufweist, wobei der Dornabschnitt eine proximale Dichtung zum Abdichten des Endstempels an einem Innenvolumen des Rohlings an einem ersten Abschnitt des Rohlings und eine distale Dichtung zum Abdichten des Endstempels an dem Innenvolumen an einem zweiten Abschnitt des Rohlings aufweist; und einen oder mehrere der Folgenden: ein Formwerkzeug mit einer Kavität mit einer Form, um den Rohling mit dem in den Rohling eingeführten Endstempel aufzunehmen und zu umschließen, wobei eine Eingriffsoberfläche des Endstempels in den Rohling eingreift, während sich ein Durchgangsabschnitt des Rohlings durch einen Eintrittsdurchgang des Formwerkzeugs erstreckt, welcher einen Durchmesser aufweist, der einem Außendurchmesser des Durchgangsabschnitts weitestgehend entspricht, wobei der erste Abschnitt innerhalb des Durchgangs ist und der zweite Abschnitt jenseits des Durchgangs liegt; oder Anweisungen zum Umschließen des Rohlings in einem Formwerkzeug mit in den Rohling eingeführtem Endstempel, wobei eine Eingriffsoberfläche des Endstempels mit dem Rohling in Eingriff gelangt, während sich ein Durchgangsabschnitt des Rohlings durch einen Eintrittsdurchgang des Formwerkzeugs erstreckt, welcher einen Durchmesser aufweist, der einem Außendurchmesser des Durchgangsabschnitts weitestgehend entspricht, wobei sich der erste Abschnitt innerhalb des Durchgangs befindet und der zweite Abschnitt jenseits des Durchgangs liegt. Der Bausatz kann ferner den Rohling oder Anweisungen zum Herstellen des Rohlings umfassen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung werden im Rahmen der folgenden ausführlichen Beschreibung beschrieben oder offensichtlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Für ein einfacheres Verständnis der Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen beispielhaft im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer im Stand der Technik bekannten Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen mit Endennachschub;
-
2a, b schematische Darstellungen eines Endstempels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Explosionsansicht bzw. als Ansicht im zusammengebauten Zustand;
-
3a, b, c schematische Darstellungen des Endstempels aus 2 in drei Stadien in einem Innenhochdruckumformverfahren mit Endennachschub;
-
4 eine schematische Darstellung einer einstückigen Ausführungsform eines Endstempels gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
-
5 eine schematische Darstellung einer modularen Ausführungsform eines Endstempels gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
-
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Bereitgestellt werden Merkmale eines erfindungsgemäßen Endstempels zum Hochdruckumformen mit Endennachschub oder geschlossener Kavität sowie ein Verfahren, ein Bausatz und eine Vorrichtung, die den Endstempel umfassen.
-
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Endstempels gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Endstempel 20 kann aus einer beliebigen Anzahl von Teilen gebildet sein, die mittels einer Vielfalt von Verfahren hergestellt werden, umfasst im Gebrauchszustand jedoch mindestens: eine Auflageoberfläche 21 an einem Basisende zum Aufnehmen einer Endennachschubkraft, die beispielsweise durch einen Druckkolben eines Pneumatik- oder Hydraulikzylinders zugeführt wird; einen Dornabschnitt 22 an einem Einführende zum Einführen in einen Rohling (nicht dargestellt) und eine Eingriffsoberfläche 24 zum Greifen des rohrförmigen Rohlings. Der Rohling weist mindestens einen Durchgangsabschnitt zum Aufnehmen des Dornabschnitts 22 und eine geschlossene, mit dem Durchgangsabschnitt in Fluidverbindung stehende Kammer auf. Der Stempel 20 ist als solcher dazu ausgebildet, die Endennachschubkraft von der Auflageoberfläche 21 auf den Rohling zu übertragen. Der Dornabschnitt 22 weist eine oder mehrere Dichtungen 25 auf, welche einen Dichtbereich zum Abdichten eines Innenvolumens des Rohlings definieren, wobei sich der Dichtbereich über eine Länge des Rohlings erstreckt, so dass während eines Endennachschubvorgangs an einer axialen Position des Rohres aufgrund der Aufweitung des Rohlings eine Abdichtung verloren geht, wobei eine zweite Abdichtung an einer axialen Position, an der der Rohling im Wesentlichen keine Aufweitung erfahren hat, bestehen bleibt. Besonders bevorzugt ist, dass, nachdem eine erste Dichtung gelöst ist, zwischen einem Rohrende und dem Bereich, wo sich der Rohling am stärksten verformt, eine Dichtung bestehen bleibt, so dass sich die Anpressfläche in einem Bereich mit niedrigem Druck befindet.
-
Während 2 eine konkrete Ausführungsform darstellt, die einen Durchgang 27 zum Übertragen von mit Druck beaufschlagtem Fluid aufweist, versteht es sich von selbst, dass dies für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich ist. Alternativ dazu kann eine Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen sein, beispielsweise zum Entlüften oder zum Einspritzen und/oder Abziehen des mit Druck beaufschlagten Fluids. Wenn beispielsweise ein Ende des Rohlings 10 einen oder mehrere Durchgänge aufweist, die zum Einspritzen und Abziehen des mit Druck beaufschlagten Fluids und zum Entlüften ausreichend sind, benötigt der andere Endstempel eventuell keine. Ferner kann die geregelte Zufuhr von mit Druck beaufschlagtem Fluid über einen anderen Zugang zu dem Rohling 10 erfolgen, der von dem Endennachschubbereich entfernt ist.
-
Insbesondere zeigt 2 einen Endstempel 20 mit einem Körper 26, der eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, welche die Auflageoberfläche 21 an dem Basisende definiert, das einen größeren Außendurchmesser (AD) als das Einführende aufweist. Der Übergang zwischen dem Einführende und dem Basisende ist abrupt und bildet eine Schulter aus. Das Einführende weist einen konstanten AD auf, wie in der Explosionsansicht in 2a dargestellt ist, und der AD ist im Wesentlichen kleiner als ein Innendurchmesser (ID) des Rohlings. Damit ermöglicht das Einführende, eine Vielzahl von Ringen an dem Körper 26 anzubringen, und bei der vorliegenden Anordnung sind 5 derartige Ringe vorhanden: ein Rohrkragen 28, drei Dichtungshalter/Distanzstücke 29 und eine Spitze 30.
-
Der Rohrkragen 28 weist einen selben AD wie der Körper 26 auf und weist an dem distalen (einführseitigen) Ende die Eingriffsoberfläche 24 auf. Nach dieser Oberfläche ist der AD des Rohrkragens 28 kleiner als (oder wenigstens im Wesentlichen kleiner als) der ID des Rohlings, während an dem proximalen Ende des Rohrkragens 28 der AD größer als der ID des Rohlings ist, so dass die Rohlingslippe mit der Eingriffsoberfläche 24 kontert und die Eingriffsoberfläche 24 die Endennachschubkraft auf den Rohling übertragen kann. Ein Vorteil des Bereitstellens dieser Eingriffsoberfläche 24 an einem von dem Körper 26 getrennten Teil ist, dass der relativ kleine Oberflächenbereich der Eingriffsoberfläche 24 zu einem rascheren Verschleißen des Teils führt und ein Austauschen des Teils verglichen mit einem Austausch des Endstempels 20 kostengünstig ist.
-
Der abrupte Übergang zwischen dem Einführ- und dem Basisende des Körpers 26 schafft eine Anlagefläche für den Rohrkragen 28, so wie das distale Ende des Rohrkragens 28 eine Anlagefläche für Dichtungshalter/Distanzstücke 29 schafft und jeder derartige Ring den der Reihe nach jeweils nächsten abstützt. Die Anzahl von Dichtungen 25 (bei denen es sich um unabhängig austauschbare Elastomerdichtungen handeln kann) hängt von dem erforderlichen Ausmaß an Endennachschub, einer Biegsamkeit des Rohlings, einer Länge des Dichtbereiches und einer Länge der Formwerkzeugkavität, wo die Verformung des Rohlings minimal ist (ein Endennachschubbereich), ab.
-
Es soll betont werden, dass gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungder Endennachschubbereich ohne erhöhten Widerstand wesentlich länger als im Stand der Technik ausgeführt werden kann, da der Rohling im Endennachschubbereich nicht auf die Formwerkzeugkavität drückt,. Dies kann mehr Endennachschub ermöglichen und kann den Rohling über eine längere Strecke gegen Nicken und Gieren abstützen. Alternativ dazu kann in Anbetracht der Tatsache, dass die technischen Erfordernisse für den Endennachschubbereich nun erheblich anders sind als jene für die Formwerkzeugkavität, kann der Endennachschubbereich aus einem anderen Material oder aber als von dem Formwerkzeug getrennte Komponente hergestellt werden, da davon ausgegangen werden kann, dass das Formwerkzeug und der Endennachschubbereich unterschiedlichem Verschleiß unterliegen. Wenn der Rohling außer in der Formwerkzeugkavität nie unter Druck steht, kann tatsächlich auf eine Umschließung des Rohlings in dem Endennachschubbereich oder an einem Teil davon verzichtet werden, oder die Umschließung kann auf ein Maß reduziert werden, welches ausreicht, um ein Einknicken des Rohlings unter den Endennachschubkräften zu verhindern. Ferner kann das Greifen des Rohlings über einen größeren Oberflächenbereich vorgesehen werden, indem ermöglicht wird, dass wenigstens während eines ersten Teils des Endennachschubs ein Greifen des Rohlings an seiner äußeren Oberfläche, erfolgt. Dabei kann eine äußere Abstützung für den Rohling in dem Endennachschubbereich einen Bereich umfassen, welcher den Rohling anfangs abstützt und dann eine größere AD-Oberfläche des Endstempels abstützt, während der Endennachschub fortgesetzt wird. Der Endstempel kann auch einen teleskopartig ausgeführten Außenmantel zum Abdecken der äußeren Oberfläche des Rohlings und zum Verhindern von Einknicken während des Endennachschubs des Rohlings, wo der Rohling noch nicht in die Formwerkzeugkavität eingetreten ist, umfassen.
-
2 zeigt vier Dichtungen 25, wobei jede benachbarte Dichtung 25 durch einen Dichtungshalter/ein Distanzstück 29 getrennt ist. Die Dichtungen können vorzugsweise unabhängig austauschbare Elastomerdichtungen für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen sein, können jedoch auch Metalldichtungen sein, falls eine Anwendung bei höheren Temperaturen, beispielsweise beim thermischen Hochdruckumformen, erforderlich ist. Die Vorteile und Nachteile des thermischen Hochdruckumformens sind im Stand der Technik bestens bekannt und umfassen die verbesserte Duktilität der meisten Metallrohlinge und höhere Kosten.
-
Eine proximale Dichtung ist der Eingriffsoberfläche 24 benachbart angeordnet. Die Dichtungen 25 können torische Dichtungen mit Profilen in Form eines O (massiv oder hohl), X, U, V, T, Sterns oder Sternchens sein oder allgemein ringförmige Dichtungen mit einem beliebigen gewünschten Querschnitt. Im Allgemeinen können die Dichtungen in Nuten einer Stützwandung aufgenommen werden. Derartige Nuten sind radial ausgerichtet oder können abgefast sein, sind jedoch für gewöhnlich um die Achse des Endstempels 20 rotationssymmetrisch, wenn der Rohling einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und sorgen im allgemeineren Fall für gleichmäßige Abdichtung entlang dem Umfang. Eine proximale Dichtung 25 kann dazu ausgebildet sein, eine Lippe des Rohlings 10 abzudichten, und kann daher einen Querschnitt in Form eines "Pac-Man"-Symbols oder eines L aufweisen. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine distale Dichtung 25 ebenfalls eine andere Form aufweisen und kann eine Spitze des Einführendes definieren.
-
Die Dichtungen müssen nicht alle von derselben Art, demselben Kaliber, derselben Festigkeit oder derselben Größe sein. Wenn beispielsweise die distalen Dichtungen mit dem Rohling 20 dichtend in Eingriff stehen sollen, während sich der Rohling eine im Wesentlichen größere Strecke als die proximalen Dichtungen bewegt, können sie von einem elastischeren, bewegungsaufnehmenden Typ sein, beispielsweise mit einer X-Ring-Konfiguration, während proximale Dichtungen 25 von einem Typ sein können, der besser dichtet, wenn er im Wesentlichen statisch ist, beispielsweise Viereckringdichtungen.
-
Während die dargestellte Ausführungsform Dichtungen zeigt, welche durch Halter/Distanzstücke 28 abgestützt werden, könnte diese Bauform im Wesentlichen umgekehrt werden, wobei Dichtungen das Gros der Ringe umfassen und Messingunterlegscheiben oder dergleichen Distanzstücke zwischen Abschnitten der Dichtungen definieren, wobei die Unterlegscheiben dazu dienen, die Membranbewegung der Abschnitte zu beschränken, um unabhängige Dichtungsabschnitte zu schaffen. Weitere Alternativen können überhaupt keine Distanzstücke umfassen und eine einzige Dichtung über den Dichtbereich vorsehen, welche sich über eine erhebliche Tiefe erstreckt, um das kontinuierliche Lösen über den Dichtbereich zu ermöglichen, wenn der Rohling aufgeweitet wird.
-
Bei manchen Ausführungsformen werden die Dichtungen 25 zusammengedrückt (vorzugsweise axial), so dass sie sich radial weiter ausdehnen, und somit kann jede Dichtung 25 Teil einer Dichtungseinheit sein. Axial angetriebene Klemmen, einschließlich Klemmen, die während des Verriegelns oder der Montage der Halter/Distanzstücke 28 angetrieben werden, sind in 2 dargestellt, wo die Grenzfläche zwischen den Dichtungen 25 und den Haltern/Distanzstücken 29 derart ausgebildet ist, dass das Befestigen der Spitze 30 mit etwas zusätzlichem Drehmoment die Dichtungen 25 zusammendrückt, um den Kontakt zwischen den Dichtungen 25 und dem Rohling zu verbessern. Dies kann dazu beitragen, in den frühen Stadien der Beaufschlagung mit Druck die Abdichtung aufrecht zu erhalten.
-
Alternativ dazu kann die Kompression mittels elektroaktiver Polymere, piezoelektrischer Materialien, Formgedächtnislegierungen oder anderer elektrischer oder elektromagnetischer Betätigungen und/oder mittels fluiddynamischer Betätigung (beispielsweise pneumatischer/hydraulischer) und/oder mittels mechanischer Betätigung, beispielsweise durch Verwendung eines Klemmmechanismus und/oder mittels der Aufnahmekraft des Endennachschubs, vorgesehen werden. Die Kompressionskraft kann während des Endennachschubs mit der Endennachschubkraft vorgesehen oder verstärkt werden, beispielsweise wenn sich die Halter/Distanzstücke 29 unter den Kräften des Endennachschubs und seinem Widerstand zusammenziehen. Es kann erforderlich oder vorzuziehen sein, die Dichtungen 25 erst nach dem Einführen des Endstempels 20 in den Rohling 10 zu betätigen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Endennachschubvorrichtung oder Komponenten davon Drehfreiheit aufweisen können, und dies kann dazu genutzt werden, Dichtungen des Endstempels 20 einzubauen, zu verriegeln und/oder zusammenzudrücken.
-
Die Dichtungshalter/Distanzstücke 29 können sich aus einem Polymer oder einem Metall zusammensetzen. Wenn sie aus einem Polymer hergestellt sind, kann man die Dichtung 25 und den Dichtungshalter/das Distanzstück 29 zu einem einstückigen Teil kombinieren.
-
Sobald die Elastomerdichtungen montiert sind, wird eine Spitze 30 des Stempels angebracht, um die Dichtungen zusammenzuhalten und um das Einführen des Stempels in den Rohling vor dem Hochdruckumformen und dem Endennachschub zu verbessern. Das Anbringen der Ringe (Kragen 28, Halter/Distanzstücke 29 und Spitze 30) kann auf jede beliebige zweckmäßige und zuverlässige Weise vorgesehen werden, einschließlich direkter Schraubkopplung, mit Schrauben oder mit Schnappverriegelungsmechanismen, wenngleich dies überhaupt nicht wesentlich ist und die Montage durch Kleben, Bonden, Hartlöten, Schweißen oder Verschmelzen mittels jedweder bekannter Verfahren erfolgen kann, und der Endstempel 20 ferner im Wesentlichen einstückig sein kann.
-
Während Halter/Distanzstücke 29 einen AD aufweisen können, der dem ID des Rohlings weitestgehend entspricht und dies, gemeinsam mit der Nähe der Wandung des Formwerkzeugs, ein Verdicken oder Knautschen des Rohlings begrenzen soll, besteht in Anbetracht der Tatsache, dass sich das Material weit leichter dort verformt, wo es sich bereits verformt, kein Erfordernis, dass die Distanzstücke den Bereich zwischen den Dichtungen 25 im Wesentlichen ausfüllen müssen, außer in dem Maß, in dem ein Druckabfall innerhalb des Rohlings, welcher nach Undichtwerden einer Dichtung auftritt, problematisch ist.
-
Eine oder mehrere der Dichtungen 25 können eine aufblasbare Blase sein. Der Strom von mit Druck beaufschlagtem Fluid in die und aus der Blase kann verwendet werden, um Dichtungen herbeizuführen und/oder eine Abdichtung zu verringern, wenn beispielsweise eine gewünschte Aufweitung an einem gewünschten Ort erzielt wurde. Eine allmähliche Abnahme des Volumens der Blase mildert Druckabfälle innerhalb des Rohlings nach dem Undichtwerden einer Dichtung. Es versteht sich von selbst, dass die sehr hohen Drücke, welchen der Rohling und somit die Grenzfläche zwischen dem Rohling und dem Endstempel ausgesetzt werden, beträchtliche Kräfte überwinden sollen und eine Dichtung mit einer aufblasbaren Blase einer derartigen Kraft entgegenwirken müsste.
-
Der Rohling kann einen gleichmäßigen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, in anderen Ausführungsformen kann der Rohling gebogen und/oder verwunden sein, und er kann einen elliptischen, rechteckigen, teilweise abgeflachten oder unregelmäßigen Querschnitt aufweisen, oder er kann jedweden anderen Querschnitt (gleichmäßig oder sich in Abhängigkeit von der Tiefe verändernd) aufweisen, welcher das Einführen des Dornabschnitts ermöglicht. Der Dorn dichtet quer über das Durchgangsende des Rohlings an mindestens zwei Stellen mit verschiedenen axialen Positionen unter Zuhilfenahme im Stand der Technik bekannter Dichtungen und Konstruktionen ab.
-
Wenn der Rohling keine gleichmäßige Verjüngung aufweist, kann es erforderlich sein, dass die Dichtungen betätigbar sind, damit der Endstempel eine gewünschte Tiefe weit in den Rohling eingeführt werden kann. Im Allgemeinen stehen zwei Alternativen zum Einführen des Endstempels in den Rohling zur Verfügung, entweder der Stempel bietet ausreichenden Widerstand, um das Drücken des Stempels mit den Dichtungen in den Rohling zu ermöglichen, wobei die Verformung der Dichtungen und/oder des Rohlings das Hindurchtreten des Stempels ermöglicht, oder es kann dem Einführen des Rohlings erheblich weniger Widerstand entgegengesetzt werden. Wenn beispielsweise der Querschnitt nicht kreisförmig ist, kann eventuell bevorzugterweise die Ausrichtung von beweglichen unabhängigen Dichtungsmodulen das einfache und exakte Positionieren von außerhalb des Rohlings und des Formwerkzeugs ermöglichen, gefolgt von der Neuausrichtung und Verriegelung der Dichtungen am gewünschten Ort. Ein einfach vorstellbarer Fall ist ein Rohling mit einem ovalen Querschnitt von gleichmäßiger Ausrichtung und einer von der Tiefe abhängigen Querschnittsfläche. Durch Einführen der Dichtungsglieder mit der Hauptachse in axialer Richtung geneigt und Drehen der Nebenachse in Richtung der Hauptachse des Rohlings können sich die Dichtungen ohne Widerstand bewegen. Ein Zurückneigen der Dichtungen in die beiden Richtungen richtet die Dichtungen zum Abdichten an dem Rohling neu aus.
-
3a–c sind eine schematische Darstellung des Endennachschubvorgangs mittels des Endstempels 20 aus 2 mit besonderer Darstellung der Aufweitung des Rohlings 10 und dem damit einhergehenden Lösen von Dichtungen. In 3a wird der Endstempel 20 in den Rohling 10 eingeführt, die Dichtungen 25 werden betätigt, und die Anordnung befindet sich innerhalb eines Hochdruckumform-Formwerkzeugs. Der Rohling 10 wird mit Druck beaufschlagt und beginnt sich aufzuweiten. In den frühen Stadien der Hochdruckumformung dichtet die distale Dichtung am Rohling ab und trennt die Rohlingswandung zwischen der distalen Dichtung und der Basis des Endstempels 20 von dem Innendruck. Folglich ist der Rohling 10 an dem Endennachschubbereich nicht mit Druck beaufschlagt und die Reibung in dem Anpressbereich 17 bleibt niedrig. Somit wirkt anfangs nur die erste Dichtung dem mit Druck beaufschlagten Fluid entgegen. Dann wird der Endennachschub in Gang gesetzt. An dem in 3b dargestellten Punkt wurde die erste Dichtung aufgebrochen, und die an die distale Dichtung anschließende Dichtung ist kurz davor aufgebrochen zu werden, und somit wird der Druck innerhalb des Rohlings 10 auf die an die proximale Dichtung anschließende Dichtung aufgebracht. Der Rohling 10 hat sich wesentlich verformt, indem er sich in der Formwerkzeugkavität 12' in Richtung der Formwerkzeugwandung ausgedehnt hat. An dem in 3c dargestellten Punkt des Endennachschubprozesses wurden alle Dichtungen außer der proximalen Dichtung aufgebrochen, und eine Rohlingswandung hat sich der Formwerkzeugkavität entsprechend verformt. Bei den meisten Anwendungen bricht die proximale Dichtung während des Endennachschubs und Hochdruckumformens nie auf.
-
Es versteht sich, dass mehrere Dichtungen über den Dichtbereich den Anpressbereich wirksam dorthin verlegen, wo die Abdichtung an dem Rohling 10 intakt bleibt, was sich mit dem Aufweiten des Rohlings 10 während des Hochdruckumformens und Endennachschubs ändert. In der Praxis kann sich der Dichtbereich eine Strecke weit erstrecken, die größer als die ½ eines Durchmessers des Dichtungs-AD, vorzugsweise größer als der Dichtungs-AD oder mehr als das Zweifache des Dichtungs-AD, ist, oder eine Strecke weit, so dass sich eine erste Dichtung bei maximaler Einführung mindestens etwa 2 cm, vorzugsweise mehr als 5 oder 10 cm, in die Formwerkzeugkavität erstreckt, so dass eine erhebliche Fläche des Rohlings während des ersten Aufweitens in dem Anpressbereich nicht mit Druck beaufschlagt wird.
-
Während die Ausführungsform aus 3 das Eintreten des Endstempels 20 in das Formwerkzeug durch einen Eintrittsdurchgang zeigt, kann bei manchen Ausführungsformen der Endstempel 20 nicht in einen derartigen Eintrittsdurchgang eintreten, der viel kürzer sein kann, und es können Mittel außerhalb der Formwerkzeugkavität für die Ausfluchtung und Ausrichtung des Rohlings und/oder der Endstempelbaugruppe in Bezug auf die Formwerkzeugkavität erforderlich sein. Vorteilhafterweise kann dies das Eingreifen mit dem Rohling über einen breiteren Oberflächenbereich erleichtern, da das Rohlingsende, wo dieses in Eingriff gelangt, eventuell nie in das Formwerkzeug eintritt. Alternativ dazu und als deutlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik kann ein Endennachschubbereich der Formwerkzeugkavität auf eine Weise länglich ausgebildet werden, die im Stand der Technik nicht zweckmäßig war. Da der Anpressbereich wirksam in einen Bereich des Formwerkzeugs verlagert wird, der näher bei einem Mittelpunkt des Formwerkzeugs ist, kann erhöhte Abstützung (gegen Nicken, Gieren und Knicken) mit einem länglichen Endennachschubbereich ohne die damit einhergehende Reibung, welche ein derartiges Formwerkzeug vor der vorliegenden Erfindung unzweckmäßig werden hätte lassen, vorgesehen werden. Die Länge des Dichtbereichs kann proportional zu der Länge des Endennachschubbereichs des Formwerkzeugs gewählt werden, wenngleich der Endennachschubabschnitt des Rohlings nicht streng auf den Endennachschubbereich beschränkt werden muss.
-
4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines einstückigen Endstempels 31 gemäß der vorliegenden Erfindung als ausgeschnittene Teilansicht sowie als Querschnittansicht. Durch erhebliches Reduzieren der Anzahl von Teilen weist der Endstempel 31 eine einstückige Körperkonstruktion mit einer Vielzahl von Nuten auf, von denen jede dazu ausgebildet ist, eine torische Dichtung zu tragen. Nur zwei derartige Nuten sind dargestellt, und jede weist eine entsprechende torische Dichtung auf, wobei jedoch eine Vielzahl von Nuten vorgesehen werden kann, um eine Vielfalt von Dichtungen an einer Vielfalt von Positionen zu ermöglichen.
-
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine modulare Bauform des Endstempels, wie sie in 5 dargestellt ist (welche eine in Einzelteile auseinandergezogene Ansicht und eine Querschnittansicht im zusammengebauten Zustand umfasst). Bei der modularen Lösung wird jede Dichtungsstufe als eigenes Modul betrachtet, und diese Module können übereinander angebracht werden. Die modulare Vorrichtung schafft größere Flexibilität insofern, als sie unterschiedliche Maße von Endennachschub während des Hochdruckumformens ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht diese Lösung das Abdichten an gebogenen Abschnitten durch Verwendung sphärischer Module, welche im Stand der Technik von Rotationsziehbiegeprozessen bekannten Dornen ähnlich sind.
-
Weitere der Konstruktion eigene Vorteile sind für Fachkundige naheliegend. Die Ausführungsformen werden in diesem Dokument veranschaulichend beschrieben und beabsichtigen nicht, den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken. Varianten der vorgenannten Ausführungsformen sind für Durchschnittsfachleute naheliegend und fallen gemäß Intention des Erfinders in den Umfang der folgenden Ansprüche.
