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Die Erfindung betrifft eine Bördelmaschine zum Herstellen eines Bördels an einem Ende eines Rohres. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine, welche die besagte Bördelmaschine und zusätzlich eine Einspannvorrichtung zum Einspannen des Rohres in Bezug auf die Bördelmaschine aufweist. Schließlich umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Bördels mit der genannten Werkzeugmaschine.
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Im Stand der Technik, z. B. aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 297 18 195 U1 ist eine solche Bördelmaschine grundsätzlich bekannt. Demnach umfasst die bekannte Bördelmaschine eine drehbar gelagerte Welle sowie eine Antriebseinrichtung zum Versetzen der Welle in Rotation um ihre Längsachse und zum Verschieben der Welle entlang ihrer Längsachse. Darüber hinaus umfasst die Bördelmaschine ein rotationssymmetrisches Bördelwerkzeug, welches von einer drehfest an einer Stirnseite der Welle angebrachten Halteeinrichtung gehalten wird. Die Halteeinrichtung bei der bekannten Bördelmaschine ist ausgebildet, das Bördelwerkzeug unter einem Winkel α in einem festgelegten radialen Abstand zur Längsachse der Welle zu positionieren, wobei das Bördelwerkzeug jedoch um seine eigene Rotationsachse y frei drehbar gelagert ist. Der Winkel α ist bei der bekannten Bördelmaschine während der gesamten Zeitdauer eines Bördelvorganges in Abhängigkeit des verwendeten Bördelwerkzeugs fest vorgegeben und eingestellt.
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Zur Herstellung eines Bördels an einem Ende eines Rohres mit Hilfe der bekannten Bördelmaschine sind hohe Kräfte bzw. Drücke erforderlich, welche zu einer unerwünschten Materialfaltung im Eckbereich bzw. Übergangsbereich zwischen der unverformten Wandung des Rohres und dem Bördel führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Bördelmaschine, eine bekannte Werkzeugmaschine und ein bekanntes Verfahren zum Herstellen eines Bördels an einem Rohrende dahingehend weiterzubilden, dass die Qualität des entstehenden Bördels verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird in Bezug auf die Bördelmaschine durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist die Bördelmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung eine Schwinge aufweist, in welcher das Bördelwerkzeug frei drehbar gelagert ist und dass die Schwinge mit dem Bördelwerkzeug innerhalb der Halteeinrichtung um eine Schwenkachse v, welche senkrecht zur Rotationsachse y des Bördelwerkzeugs und senkrecht zur Längsachse z der Welle verläuft, frei schwingbar gelagert ist.
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Die frei schwingbar bzw. drehbar gelagerte Schwinge bewirkt vorteilhafterweise, dass der Winkel α, unter welchem das Bördelwerkzeug mit seiner Rotationsachse y zur Längsachse z der Welle angestellt ist, während der Herstellung des Bördels nicht fest vorgegeben oder konstant ist, sondern sich zu jedem Zeitpunkt während eines Bördelvorganges selbsttätig geeignet einstellt. Tatsächlich variiert der Winkel α während eines Bördelvorganges in Abhängigkeit der jeweiligen Knickposition des Bördels.
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Durch die selbstständige variable Einstellung des Winkels α können hohe axiale Kräfte, wie sie bei dem Verfahren aus dem Stand der Technik gerade zu Beginn eines Bördelvorganges auf die Rohrwandung ausgeübt werden müssen, fast vollständig vermieden werden. Stattdessen erfolgt das Umbördeln bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fast ausschließlich durch Aufbringen radialer Kräfte zu Beginn eines Bördelvorganges; durch den Wegfall der großen axialen Kräfte wird der aus dem Stand der Technik bekannte unerwünschte Faltenwurf des Materials vorteilhafterweise vermieden und somit insgesamt die Qualität des Bördels deutlich verbessert.
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Der Begriff „frei drehbar” oder „frei schwenkbar” bedeutet, dass die Drehung oder Schwenkung nicht durch einen Antrieb und auch nicht mit einer vorgegebenen Winkelbegrenzung erfolgt. Vielmehr bedeuten diese Begriffe, dass die Drehung bzw. die Schwenkung der jeweiligen Bauteile nur in Abhängigkeit der jeweils wirkenden Kräfte, d. h. in Abhängigkeit des freien Spiels der Kräfte erfolgen.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist das Bördelwerkzeug einen konischen Werkzeugkopf auf und ist das Bördelwerkzeug derart an der Schwinge gelagert, dass die Schwenkachse v der Schwinge durch die Rotationsachse y des Bördelwerkzeugs hindurch im Bereich von dessen konischem Werkzeugkopf verläuft. Dieses konstruktive Merkmal ist insofern von Bedeutung, als dass es die Voraussetzung dafür ist, dass mit dem konischen Werkzeugkopf Kräfte, insbesondere auch radiale Kräfte, wie sie zum Herstellen des Bördels erforderlich sind, auf die Innenseite des Rohres ausgeübt werden können.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Werkzeugmaschine gelöst, wobei die Werkzeugmaschine neben der beanspruchten Bördelmaschine zusätzlich eine Spanneinrichtung aufweist zum Einspannen des Rohres derart, dass die Längsachse des Rohres mit der Längsachse der Welle fluchtet und dass das zu bördelnde Ende des Rohres dem Bördelwerkzeug der Bördelmaschine zugewandt ist. Die Spanneinrichtung ist zwar erforderlich zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bördels, jedoch kann sie auch separat von der Bördelmaschine hergestellt und vertrieben werden; sie ist deshalb nicht notwendiger Bestandteil der Bördelmaschine. Die Kombination aus Bördelmaschine und Spanneinrichtung wurde deshalb in einem separaten Vorrichtungsanspruch als Werkzeugmaschine beansprucht.
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Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die o. g. Aufgabe durch das in Patentanspruch 4 beanspruchte Verfahren gelöst. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben mit Bezug auf die beanspruchte Bördelmaschine genannten Vorteilen.
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Es ist empfehlenswert, das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einmal zu wiederholen, um die Ausbildung des Bördels am Rohrende qualitativ noch weiter zu verbessern. Insbesondere kann durch das Wiederholen der Biegeradius zwischen dem Bördel bzw. dem Bördelflansch und dem angrenzenden – nicht verformten – Rohrendabschnitt verkleinert werden und die Winkelgenauigkeit zwischen Bördel und unverformtem Rohrabschnitt verbessert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Bördelmaschine sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere zur Führung des Bördelwerkzeugs entlang einer Bahnkurve gemäß Verfahrensschritt sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Beschreibung sind drei Figuren beigefügt, wobei
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1 die erfindungsgemäße Bördel- und Werkzeugmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
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2 die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung in einem Längsschnitt; und
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3 das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 500, welche aus den beiden Komponenten Bördelmaschine 100 und Spanneinrichtung 250 besteht.
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Die Bördelmaschine 100 dient zum Herstellen eines Bördels, in 1 nicht erkennbar, an einem Ende eines Rohres 200, welches in der Spanneinrichtung 250 eingespannt ist. Die Bördelmaschine 100 umfasst eine drehbar gelagerte Welle 110, siehe 2, und eine Antriebseinrichtung 120 zum Versetzen der Welle 110 in Rotation um ihre Längsachse z und zum Verschieben der Welle entlang ihrer Längsachse. Die Verschiebung in Richtung der Längsachse z erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Schlittens 150. An einer ihrer Stirnseiten umfasst die Welle 110 einen drehfesten Teller 145, auf welchem eine Halteeinrichtung 140 zum Aufnehmen eines Bördelwerkzeugs 130 radial verschiebbar und positionierbar ist. Die Halteeinrichtung 140 dreht sich zusammen mit der Welle 110, allerdings – falls erforderlich – beabstandet zu deren Längsachse. Die Halteeinrichtung 140 weist erfindungsgemäß eine Schwinge 142 auf, in welcher das Bördelwerkzeug 130 um seine Rotationsachse y frei drehbar gelagert ist. Die Schwinge mit dem Bördelwerkzeug ist innerhalb der Halteeinrichtung um eine Schwenkachse v frei schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkachse v senkrecht zur Rotationsachse des Bördelwerkzeugs und senkrecht zur Längsachse z der Welle 110 verläuft. In den in 2 gezeigten unterschiedlichen Positionen des Bördelwerkzeugs 130 zu unterschiedlichen Zeiten eines Bördelvorganges, verläuft die Schwenkachse v immer senkrecht zur Zeichenebene.
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Die Halteeinrichtung 140 mit der Schwinge 142 ist an der Stirnseite der Welle 110 bezüglich des radialen Abstandes a zur Längsachse z der Welle 110 variabel positionierbar. Als Referenzpunkt für die Bemessung des Abstandes a zur Längsachse z der Welle 110, welche mit der Längsachse x des eingespannten Rohres 200 fluchtet, wird beispielsweise der Schnittpunkt zwischen der Schwenkachse v und der Rotationsachse y des Bördelwerkzeugs 130 gewählt, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
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Der Werkzeugkopf 132 des Bördelwerkzeugs 130 ist, wie in den 1 bis 3 zu erkennen, konisch ausgebildet. In den 2 und 3 ist weiterhin zu erkennen, dass die Schwenkachse v der Schwinge durch die Rotationsachse y hindurch verläuft, wobei die senkrechte Projektion 300 der Schwenkachse auf die Außenseite des Bördelwerkzeugs 130 im Bereich von dessen konischem Werkzeugkopf liegt.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Bördeln des Endes eines Rohres mit Hilfe der erfindungsgemäßen Werkzeug- und Bördelmaschine unter Bezugnahme auf die 2 und 3 detailliert beschrieben.
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Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Bördelns eines Rohrendes ist, dass das Rohr 200 mit seiner Längsachse x in Bezug auf die Bördelmaschine fest eingespannt ist, und zwar derart, dass die Längsachse x des Rohres mit der Längsachse z der Welle 110 fluchtet und dass das zu bördelnde Ende des Rohres dem Bördelwerkzeug der Bördelmaschine zugewandt ist.
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Das Bördelwerkzeug 130 mit seinem Bördelkopf 132 wird dann in das ihm zugewandte freie Ende des Rohres 200 soweit eingefahren, dass die senkrechte Projektion 300 der Schwenkachse auf die Außenseite des Werkzeugkopfes auf Höhe eines das Rohr umgebenden Spannbacke 260, (auch genannt Spannmatrize) liegt. Dort wird der konische Werkzeugkopf 132 an die Innenseite des Rohres 200 angelegt.
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Das Bördelwerkzeug wird daraufhin in Rotation um die Längsachse z der Welle 110 versetzt, wobei der konische Werkzeugkopf 132 des Bördelwerkzeugs 130 gleichzeitig auf der Innenseite des Rohres 200 abrollt und dabei eine Rotation um seine eigene Rotationsachse y ausführt.
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Für den eigentlichen Bördelvorgang wird schließlich das Bördelwerkzeug 130 – in einer Ebene durch die fluchtenden Längsachsen z und x gesehen – entlang einer geeigneten Bahnkurve 400 geführt, wobei die Bahnkurve durch eine Überlagerung von geeigneten translatorischen Bewegungen des Bördelwerkzeugs 130 in Längsrichtung x des Rohres und radial dazu gebildet wird.
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Konkret können für einen Bördelvorgang bei der Bahnkurve 400 drei Abschnitte 400-I, 400-II und 400-III unterschieden werden. Der erste Abschnitt 400-I der Bahnkurve wird gebildet, indem das Bördelwerkzeug 130 – bei gleichzeitig stattfindender Rotation des Bördelwerkzeugs um die Längsachse z der Welle 110 – langsam im Inneren des Rohres 200 in Richtung –z auf die Antriebseinrichtung hin zurückgefahren wird, und zwar solange, bis die senkrechte Projektion 300 der Schwenkachse v auf die Außenseite des konischen Werkzeugkopfes 132 aus dem Bereich 600 der Spannbacke herausgewandert ist. Dieser erste Abschnitt 400-I der Bahnkurve zeichnet sich durch eine reine Bewegung – in der besagten Ebene gesehen – in Richtung –z aus ohne jegliche Bewegung in radialer Richtung. Auch das Aufbringen von Radialkräften während der Rotation des Bördelwerkzeugs auf die Innenseite des Rohres 200 erscheint in diesem ersten Bahnabschnitt wenig sinnvoll, weil diese Kräfte in vollem Umfange von der Spannbacke 260 kompensiert würden und lediglich zu einer unerwünscht großen Reibung zwischen dem Werkzeugkopf 132 und der Innenseite des Rohres führen würden.
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Bei einer Fortsetzung der translatorischen Bewegung des Werkzeugkopfes 132 in Richtung –z wandert die senkrechte Projektion 300 der Schwenkachse v aus dem Bereich 600 des Bördelanschlags heraus; dann beginnt ein zweiter Abschnitt 400-II der Bahnkurve. Er ist durch eine Überlagerung von der Fortsetzung der translatorischen Bewegung des Werkzeugkopfes 132 in Richtung –z mit einer gleichzeitig stattfindenden Vergrößerung des radialen Abstandes a des Bördelwerkzeugs 130 in Bezug auf die Längsachse z der Welle 110 gekennzeichnet. In diesem zweiten Abschnitt wird die Rotation des Bördelwerkzeugs um die Längsachse z der Welle 110 weiter fortgeführt und zusätzlich jedoch auch eine radiale Andrückkraft von dem Bördelwerkzeug 130, genauer gesagt von dessen konischem Werkzeugkopf 132 auf die Innenseite des Rohres 200 ausgeübt. Die Radialkraft Fr wird bereitgestellt von der Halteeinrichtung 140. In dem zweiten Abschnitt 400-II der Bahnkurve wird die aufgewendete Radialkraft Fr nicht mehr von dem Bördelanschlag 260 aufgefangen, sondern bewirkt zunächst ein Aufweiten des freien Rohrendes, welches in Richtung –z über den Bördelanschlag 260 hinaus übersteht, gegenüber dem Außendurchmesser des unverformten Rohres 200 in der Spanneinrichtung.
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Sowohl während des besagten zweiten Abschnittes der Bahnkurve 400, wie auch während des nachfolgenden dritten Abschnitts 400-III der Bahnkurve, ist es wichtig, dass die senkrechte Projektion der Schwenkachse auf die Außenseite des konischen Werkzeugkopfes 132 immer im Bereich des Rohrendes, nicht jedoch außerhalb des Rohres liegt; dann wäre eine Kraftübertragung nicht mehr möglich.
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Der besagte dritte Abschnitt 400-III der Bahnkurve, welcher sich zeitlich und räumlich an den zweiten Abschnitt 400-II der Bahnkurve anschließt, unterscheidet sich von dem zweiten Abschnitt lediglich dadurch, dass das Zurückziehen des Bördelwerkzeugs 130 in Richtung –z nun beendet und stattdessen das Bördelwerkzeug wieder in entgegengesetzter Richtung +z bewegt wird. Zeitgleich zu dieser Bewegung in Richtung +z erfolgt eine weitere Radialbewegung des Bördelwerkzeugs hin zu größeren Abständen a von der Längsachse z der Welle 110. Auch während des dritten Abschnitts erfolgt nach wie vor ein Andrücken des Werkzeugkopfes 132 gegen die Rohrwandung und die besagte Rotation des Bördelwerkzeugs um die Längsachse z der Welle 110. Die gegen die Wandung des Rohres 200 aufgewendete (radiale) Andrückkraft kann in jedem Punkt der Bahnkurve unterschiedlich sein; sofern sie sich nicht während des Bördelvorganges automatisch ergibt, wird sie von dem Betreiber der Bördelmaschine geeignet gewählt.
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Ein mindestens einmaliges Wiederholen des soeben beschriebenen Bördelvorganges verbessert die Maßhaltigkeit des Biegeradius im Übergangsbereich zwischen dem Bördel und dem unverformten Rohrende sowie die Winkeltreue des Bördels zu dem unverformten Rohrabschnitt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bördelmaschine
- 110
- Welle
- 120
- Antriebseinrichtung
- 130
- Bördelwerkzeug
- 132
- Werkzeugkopf
- 140
- Halteeinrichtung
- 142
- Schwinge
- 145
- Teller
- 150
- Schlitten
- 200
- Rohr
- 210
- Bördel
- 250
- Spanneinrichtung
- 260
- Spannbacke
- 300
- senkrechte Projektion der Schwenkachse v
- 400
- Bahnkurve des Bördelwerkzeugs
- 400-I
- erster Abschnitt der Bahnkurve
- 400-II
- zweiter Abschnitt der Bahnkurve
- 400-III
- dritter Abschnitt der Bahnkurve
- 500
- Werkzeugmaschine
- 600
- Bereich Bördelanschlag
- Fr
- Radialkraft
- a
- Abstand Bördelwerkzeug – Längsachse z der Welle
- v
- Schwenkachse der Schwinge 142
- x
- Längsachse des Rohres
- y
- Längs- und Rotationsachse des Bördelwerkzeugs
- z
- Längsachse Welle
- α
- Winkel zwischen z und y
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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