DE102014115426A1 - Vorrichtung und Verfahren zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern (11) zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend: eine Einrichtung zum Umformen der Metallbänder (11), wobei die Einrichtung wenigstens einen Werkzeugsatz (1, 1', 1'', 1''') mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D) umfasst, wobei die Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D) eine in Umfangsrichtung umlaufende Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) mit einer Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) zur Umformung der Werkstücke (11) aufweisen, und wobei die Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) von wenigstens einem Werkzeug (2A, 2B, 2C, 2D) nicht-rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Um Werkstücke bzw. Profile mit veränderlichem Querschnitt, insbesondere Profile mit geschlossenem Querschnitt, auf kostengünstige Weise herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Konturen (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckflächen (4A, 4B, 4C, 4D) aller Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D), wenigstens aber eines Werkzeugsatzes (1, 1', 1'', 1''') konkav geformt sind, um ein Profil mit geschlossenem Querschnitt zu erzeugen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend: eine Einrichtung zum Umformen der Metallbänder, wobei die Einrichtung wenigstens einen Werkzeugsatz mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen umfasst, wobei die Werkzeuge eine in Umfangsrichtung umlaufende Druckfläche mit einer Kontur zur Umformung der Metallbänder aufweisen, und wobei die Kontur der Druckfläche von wenigstens einem Werkzeug nicht-rotationssymmetrisch ausgestaltet ist.
• Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen, und b) Umformen der Metallbänder durch die Werkzeuge.
• Auf dem Gebiet der Umformtechnik sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, Metallbänder zu Profilen umzuformen. Zur kontinuierlichen voranschreitenden Umformung ist das „Rollformen” besonders geeignet, das teilweise auch als „Walzprofilieren” bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein Umformverfahren, bei dem drehbar gelagerte Werkzeuge, beispielsweise Walzen oder Rollen, das Metallband zu Profilen umformen. Hierzu sind die drehbar gelagerten Werkzeuge üblicherweise ortsfest angeordnet, während die umzuformenden Metallbänder kontinuierlich durch die Rollen bewegt werden. Während der Bewegung der Metallbänder rollen die drehbar gelagerten und angetriebenen Werkzeuge auf den Metallbändern ab und verformen die Metallbänder durch Druckeinwirkung gegeneinander. Oftmals sind mehrere Stationen mit unterschiedlich geformten Werkzeugen hintereinander angeordnet, so dass die Metallbänder schrittweise bis zum gewünschten Endquerschnitt umgeformt werden. Rollformen eignet sich insbesondere zur Herstellung von Profilen mit konstanten, also gleichbleibenden Querschnitten.
• Im Vergleich zu anderen Umformverfahren (z. B. Pressen) werden durch das Rollformen nur lokal vergleichsweise hohe Umformdrücke erzeugt. Ein großer Vorteil des Rollformens liegt in der Möglichkeit, dass die Metallbänder kontinuierlich umgeformt werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in einer hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz des Rollformens insbesondere bei der Produktion großer Stückzahlen identischer Bauteile als vorteilhaft anzusehen, beispielsweise für Karosserieteile von Kraftfahrzeugen.
• Vorrichtungen und Verfahren zum Rollformen sind beispielsweise aus der DE 10 2007 005 880 B4 , der DE 197 54 171 A1 und der DE 100 11 755 A1 bekannt. Mit einigen der dort beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist es möglich, Metallbänder durch Rollformen zu erzeugen, deren Querschnitte sich entlang ihrer Längsachse verändern. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Lage der Werkzeuge während des Umformvorgangs in Seitenrichtung verändert bzw. verstellt wird. Insbesondere können die Werkzeuge nicht nur rotieren, sondern führen auch seitliche Translationsbewegungen aus. Durch die veränderlichen Querschnitte können daraus hergestellte Bauteile an die im Betrieb vorherrschenden Belastungen angepasst werden.
• Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass ein hoher maschineller Aufwand notwendig ist, um die Werkzeuge – beispielsweise einen Rollensatz – seitlich verstellbar auszuführen. Zudem erfordern verstellbar gelagerte Werkzeuge eine aufwändige Regelung, die sicherstellt, dass die Werkzeuge jederzeit die richtige Stellung einnehmen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass allein durch eine Verstellung der Werkzeuge nur eine begrenzte Variation der Werkstück- bzw. Profilgeometrie möglich ist.
• Eine andere Möglichkeit, Werkstücke bzw. Profile mit längsveränderlichem Querschnitt durch Rollformen herzustellen, ist aus der JP 59 027 722 A bekannt. Dort wird vorgeschlagen, nicht die Lage der Werkzeuge zu verändern, sondern drehbar gelagerte Werkzeuge mit nicht-rotationssymmetrischen Konturen einzusetzen. Auf diese Weise werden die Metallbänder derart verformt, dass die Form der Metallbänder nach dem Umformvorgang etwa der Form der Konturen der Werkzeuge entspricht. Hierzu werden zwei Walzen mit aufeinander abgestimmten Konturen gegeneinander eingesetzt, zwischen denen das Metallband geführt und umgeformt wird und deren Drehachsen parallel verlaufen.
• Diese Lösung ist zwar konstruktiv einfacher, hat jedoch den Nachteil, dass mit den beschriebenen Werkzeugen, deren Drehachsen parallel verlaufen, keine Hohlprofile sondern lediglich offene Profile bzw. Halbschalen erzeugt werden und zur Herstellung von Hohlprofilen zwei oder mehr Halbschalen miteinander verbunden werden müssen. Dies wiederum erhöht den Herstellungsaufwand. Ein weiterer Nachteil an der aus der JP 59 027 722 A bekannten Lösung liegt darin, dass zur Ausbildung der offenen Profile zwei Werkzeuge mit unterschiedlichen Konturen eingesetzt werden (ein konvexer „Stempel” und eine konkave „Matrize”). Auch dies führt zu höheren Werkzeugkosten.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene und zuvor näher erläuterte Vorrichtung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass Werkstücke bzw. Profile mit längsveränderlichem Querschnitt, insbesondere längsveränderliche Profile mit geschlossenem Querschnitt, auf kostengünstige Weise herstellbar sind.
• Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die Konturen der Druckflächen aller Werkzeuge, wenigstens aber eines Werkzeugsatzes konkav geformt sind, um ein Profil mit geschlossenem Querschnitt zu erzeugen.
• Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt. Mit einer kontinuierlichen voranschreitenden Umformung wird die Möglichkeit bezeichnet, die Metallbänder unterbrechungsfrei bis zu ihrer Endgeometrie umzuformen. Als Werkstoff kann Stahl, Magnesium, Aluminium bzw. andere Metalle oder deren Kombinationen, beispielsweise in Form von Mehrschichtwerkstoffen verwendet werden. Die Dicke der umgeformten Werkstücke bzw. Profile kann im Bereich zwischen 0,3 mm und 6 mm liegen. Die Vorrichtung zeichnet sich zunächst durch eine Einrichtung zum Umformen der Metallbänder aus. Diese Einrichtung umfasst wenigstens einen Werkzeugsatz mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und zueinander zugeordneten Werkzeugen. Bei diesen Werkzeugen kann es sich beispielsweise um Rollen oder Walzen handeln. Die Werkzeuge weisen eine in Umfangsrichtung umlaufende Druckfläche mit einer Kontur zur Umformung der Metallbänder auf. Die Druckfläche läuft um die Drehachse des Werkzeugs herum und ihre Querschnittsfläche wird als Kontur bezeichnet. Die Kontur der Druckfläche von wenigstens einem Werkzeug ist nicht-rotationsymmetrisch ausgestaltet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass sich die Kontur – in Umfangsrichtung gesehen – verändert und dient dem Zweck, Werkstücke bzw. Profile mit längsveränderlichem Querschnitt herzustellen.
• Erfindungsgemäß sind die Konturen der Druckflächen aller Werkzeuge, wenigstens aber eines Werkzeugsatzes konkav geformt, um ein Profil mit geschlossenem Querschnitt zu erzeugen. Unter einer konkaven Form wird insbesondere eine weitestgehend nach innen gewölbte, also „ausgehöhlte” Form verstanden. Durch die konkave Form der Konturen der Druckflächen können die Metallbänder besonders gut zu einem längsveränderlichen, geschlossenen Profil mit einem Längsschlitz umgeformt werden („Schlitzprofil”), denn die Außenfläche eines geschlossenen Profils, beispielsweise eines kreisrunden Profils hat in entsprechender Weise eine konvexe, also nach außen gewölbte Form. Die Erzeugung von Hohlprofilen aus einem ungeteilten Metallband hat den erheblichen Vorteil, dass lediglich eine Längsnaht anfällt und verschweißt oder anders verschlossen werden muss, um ein vollständig geschlossenes Hohlprofil zu erzeugen. Mit bekannten Rollformverfahren zur Herstellung von längsveränderlichen Profilen werden hingegen üblicherweise lediglich einseitig offene Profile erzeugt, von denen zwei oder mehr zu einem Hohlprofil zusammengefügt werden. Hierzu müssen jedoch zwei oder mehrere Längsnähte verschweißt werden, was sowohl die Kosten erhöht als auch die mechanischen Eigenschaften der fertigen Profile verschlechtert. Sofern mehrere Werkzeugsätze vorgesehen sind, können die Konturen der Druckflächen der Werkzeuge bei allen Werkzeugsätzen weitgehend konkav geformt sein.
• Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch wenigstens einen Werkzeugsatz mit jeweils wenigstens zwei drehbar gelagerten und zueinander zugeordneten Werkzeugen. Durch weitere Werkzeugsätze können die Metallbänder in weiteren, mehr differenzierten Schritten umgeformt werden, so dass über die Profillänge größere Querschnittsänderungen erzielbar sind. In diesem Fall können die Metallbänder durch mindestens einen ersten Werkzeugsatz zunächst zu einem einseitig offenen, nicht längsveränderlichen Profil („U-Profil”) mit im Wesentlichen senkrecht stehenden Schenkeln und bei Bedarf angerundeten Kanten umgeformt werden. Dabei sind vorzugsweise der kleinste Radius und/oder wenigstens teilweise die kleinste halbe Querschnittsabmessung der zu erzeugenden Endgeometrie formgebend für das einseitig offene und längskonstante Profil. Ein mindestens zweiter, nachgelagerter Werkzeugsatz formt dann im Weiteren kontinuierlich das einseitig offene, längskonstante zu einem längsveränderlichen, geschlossenen Profil mit Längsschlitz um.
• Nach einer Ausbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass jeder Werkzeugsatz zwei, drei oder vier drehbar gelagerte Werkzeuge umfasst. Durch mehrere Werkzeuge können die vorgeformten Metallbänder von unterschiedlichen Seiten gleichzeitig umgeformt werden und so können insbesondere geschlossene Hohlprofile mit längsveränderlichen Querschnitten erzeugt werden. Bei zwei Werkzeugen sind die Drehachsen der Werkzeuge vorzugsweise parallel angeordnet. Bei drei Werkzeugen schließen die Drehachsen von benachbarten Werkzeugen vorzugsweise einen Winkel von 120° ein und bei vier Werkzeugen schließen die Drehachsen von benachbarten Werkzeugen vorzugsweise einen Winkel von 90° ein. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Umformwirkung der Werkzeuge auf die Umformung von vorgeformten Metallbändern zu geschlossenen Profilen mit Längsschlitz.
• In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Kontur der Druckfläche von wenigstens einem Werkzeug weitgehend kreisbogenförmig, eckig oder oval, insbesondere elliptisch geformt ist. Mit einer kreisbogenförmigen Gestaltung ist insbesondere eine Form gemeint, die dem Abschnitt eines Kreisbogens entspricht (z. B. Halbkreis, Viertelkreis, etc.). Mit einer eckigen Gestaltung ist insbesondere eine Form gemeint, die mehrere zueinander winklig, angeordnete weitgehend gerade Teilstrecken, bei Bedarf gleicher Länge aufweist (z. B. Dreieck, Viereck, Sechseck, etc.) In entsprechender Weise ist mit einer ovalen bzw. elliptischen Gestaltung insbesondere eine Form gemeint, die dem Abschnitt eines Ovals bzw. einer Ellipse entspricht. Durch diese Gestaltung der Konturen wird die Herstellung von geschlossenen Profilen mit kreisförmigem, eckigem oder ovalem Querschnitt oder deren Kombination möglich.
• Zu dieser Ausgestaltung, insbesondere zu der kreisbogenförmigen Ausgestaltung wird weiter vorgeschlagen, dass sich der Radius der Kontur der Druckfläche von wenigstens einem Werkzeug in Umfangsrichtung zwischen einem minimalen Radius und einem maximalen Radius verändert. Durch diese Gestaltung der Konturen ist die Herstellung von geschlossenen Profilen mit längsveränderlichem, kreisförmigem Querschnitt möglich.
• Zu dieser Ausgestaltung, insbesondere zu der eckigen Ausgestaltung wird weiter vorgeschlagen, dass sich die Teillängen der jeweiligen Querschnittsfläche der Kontur der Druckfläche von wenigstens einem Werkzeugsatz in Umfangsrichtung zwischen minimalen Längen und maximalen Längen verändert. Durch diese Gestaltung der Konturen ist die Herstellung von längsveränderlichen, geschlossenen Profilen mit eckigem Querschnitt möglich, deren Teillängen variieren.
• Nach einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Konturen der Druckflächen der Werkzeuge wenigstens eines Werkzeugsatzes gegeneinander positioniert eine umlaufende Gesamtkontur mit einer Öffnung ergeben. Durch die Öffnung werden die insbesondere vorgeformten Metallbänder hindurch geführt. Die Werkzeuge formen die Metallbänder also nicht nur um, sondern übernehmen auch deren Positionierung und Führung während der Formgebung. Die Öffnung kann beispielsweise kreisförmig, eckig oder oval (insbesondere elliptisch) geformt sein.
• Die Vorrichtung kann in weiterer Ausgestaltung ergänzt werden durch vorgelagerte Einrichtungen zum Abhaspeln, ggf. Richten und zum Zuschneiden der Metallbänder. Durch diese Einrichtungen kann die Ebenheit, die Form und die jeweilige Breite der Metallbänder an die zu erreichende Endgeometrie angepasst werden. Insbesondere bei der Herstellung von Profilen mit stark veränderlichen Querschnitten ist eine präzise Anpassung der Breite der Metallbänder an die zu erzielenden Umfänge möglich. Dies ergibt beispielsweise wellige Konturen. Das Zuschneiden der Metallbänder kann beispielsweise durch einen Laserstrahl erfolgen. Alternativ können drehbar gelagerte Werkzeuge wie Schneidrollen eingesetzt werden, beispielsweise eine Messerrolle und eine Stützrolle.
• Die Vorrichtung kann nach einer weiteren Ausbildung durch eine nachgelagerte Einrichtung zum Verschweißen der geschlossenen Metallbänder ergänzt werden. Dies ist insbesondere zur Herstellung von vollständig geschlossenen Profilen erforderlich, da derartige Profile bei einer Herstellung durch Rollformen stets mindestens eine Längsnaht aufweisen. Durch eine Integration der Schweißeinrichtung in die Vorrichtung kann auch die Verschweißung kontinuierlich und gleichzeitig mit der Umformung erfolgen, so dass auf eine nachträgliche Verschweißung verzichtet werden kann. Die Einrichtung zum Verschweißen der geschlossenen Metallbänder ist vorzugsweise höhenverstellbar, um einen jeweilig konstanten Abstand zur Längsnaht sicherstellen zu können.
• Die Vorrichtung kann durch eine weitere nachgelagerte Einrichtung zum Nachformen der geschlossenen Metallbänder, insbesondere vollständig geschlossenen Metallbänder ergänzt werden. Dies ist insbesondere zur Herstellung von formtreuen Profilen erforderlich oder wenn eine finale Formgebung zur gewünschten Endgeometrie erst im geschlossen und verschweißten Zustand (vollständig geschlossen) möglich ist. Die Ausbildung dieser Einrichtung entspricht im Wesentlichen dem des formgebenden ersten Werkzeugsatzes, der für das Schließen des offenen, vorgeformten Metallbandes verwendet wird, wobei die Kontur der Druckflächen der (Nachform-)Werkzeuge an die zu erstellende Endgeometrie des Profils angepasst ist.
• Die Vorrichtung kann durch eine weitere nachgelagerte Einrichtung zum Abtrennen der geschlossenen Metallbänder, insbesondere vollständig geschlossenen Metallbänder ergänzt werden. Durch diese Einrichtung wird das geschlossene Metallband (Profilstrang) auf die gewünschte Länge abgelängt. Vorzugsweise ist dies eine „fliegende” Trenneinrichtung, vorzugsweise eine Säge, die sich während des Trennvorganges längsaxial und mit gleicher Geschwindigkeit wie der Profilstrang mitbewegen kann.
• Die eingangs beschriebene Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen, und b) Umformen der Metallbänder durch die Werkzeuge. Als Werkstoff kann Stahl, Magnesium, Aluminium bzw. andere Metalle oder deren Kombinationen, beispielsweise in Form von Mehrschichtwerkstoffen verwendet werden und als Werkzeuge können beispielsweise Rollen oder Walzen verwendet werden.
• Das Verfahren sieht erfindungsgemäß vor, dass die Metallbänder in Schritt b) durch die Werkzeuge derart umgeformt werden, dass sich ein geschlossenes Hohlprofil (geschlossenes Metallband) mit einem Längsschlitz ausbildet. Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurde, liegt auch dem Verfahren die Idee zugrunde, aus einem Metallband ausschließlich durch kontinuierliche voranschreitende Umformvorgänge ein geschlossenes, längsveränderliches Hohlprofil mit einem Längsschlitz herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass lediglich ein nachfolgender Herstellungsschritt ergänzt werden braucht, nämlich das Verschließen, insbesondere das Verschweißen des Längsschlitzes. Vorzugsweise stoßen dabei die beiden Kanten des geschlossenen Metallbandes möglichst eng aneinander („Kantenstoß”). Dies ermöglicht ein Verschweißen mittels Laser. Bei Spaltbreiten von bis zu 2 mm können beispielsweise Induktions- oder Konduktions-Schweißverfahren zum Einsatz kommen.
• Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in Schritt a) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bereitgestellt wird. Die zuvor beschriebene Vorrichtung eignet sich in allen dargestellten Ausgestaltungen in besonderer Weise zur Durchführung des Verfahrens, da die weitestgehend konkave Form der Konturen der Druckflächen einen konstruktiv einfachen Weg darstellt, geschlossene Hohlprofile (geschlossene Metallbänder) mit einem Längsschlitz herzustellen.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schritt b) die folgenden Teilschritte umfasst: b1) Umformen der Metallbänder zu einem einseitig offenen, nicht längsveränderlichen Profil („U-Profil”) mit im Wesentlichen senkrecht stehenden Schenkeln, wobei der kleinste Radius und/oder der wenigstens teilweise kleinste halbe Querschnittsabmessung der Endgeometrie eingebracht wird, und b2) das weitere Umformen des einseitig offenen Profils zu einem geschlossenen Hohlprofil (geschlossenes Metallband) mit einem Längsschlitz. Durch eine mehrstufige Vorgehensweise sind komplexere Geometrien erzielbar.
• Zu dieser Ausgestaltung wird weiter vorgeschlagen, dass die Teilschritte b1) und b2) auf separaten Werkzeugsätzen mit jeweils wenigstens zwei zueinander zugeordneten und drehbar gelagerten Werkzeugen durchgeführt werden. Auch durch den Einsatz von Werkzeugsätzen mit sich entwickelnder Profilendform wird die Herstellung von geschlossenen Hohlprofilen (geschlossenen Metallbänder) mit komplexer Geometrie möglich.
• Das Verfahren kann gemäß einer Ausgestaltung ergänzt werden durch folgende Schritte, die vor Schritt b) ausgeführt werden: ba) Abhaspeln, ggf. Richten und Zuschneiden der Metallbänder. Wie bereits zuvor für die Vorrichtung beschrieben wurde, dient das Abhaspeln, ggf. Richten und Zuschneiden der Anpassung der Metallbänder an die zu erreichende Endgeometrie. Dabei kann das Zuschneiden beispielsweise durch einen Laserstrahl oder durch drehbar gelagerte Schneidwerkzeuge wie Schneidrollen erfolgen.
• Ebenso kann das Verfahren nach ergänzt werden durch den folgenden Schritt, der nach Schritt b) ausgeführt wird: c) Verschweißen der geschlossenen Metallbänder entlang des Längsschlitzes. Das Verschweißen des Längsschlitzes ermöglicht die kontinuierliche Herstellung vollständig geschlossener Metallbänder (Profilstränge) gleichzeitig mit der Umformung, so dass auf eine nachträgliche Verschweißung verzichtet werden kann.
• Schließlich kann das Verfahren ergänzt werden durch folgende Schritte, die nach Schritt c) ausgeführt werden: d) Umformen/Nachformen des verschweißten Metallbandes (Profil-/Hohlprofilstrang) mit wenigstens zwei einander zugeordneten und drehbar gelagerten Werkzeugen in einem Werkzeugsatz, und e) Ablängen zu Einzelprofilen. Durch diese abschließende Formgebung kann eine besonders genaue Endgeometrie sichergestellt werden, da unerwünschte Verformungen – die möglicherweise beim Verschweißen entstanden sind – korrigiert werden können. Ebenso ist es möglich, dass durch die abschließende Formgebung auch die zu erzeugende Endgeometrie erfolgen kann, d. h. dass die zuvor beschriebenen Umformwerkzeuge lediglich eine Vorform erzeugen, die verschweißt wird und abschließend durch die Formgebung die Endgeometrie hergestellt bzw. eingestellt wird.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
• 1A: eine erste Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
• 1B: eine zweite Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
• 2A: eine dritte Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
• 2B: eine vierte Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
• 3: den Werkzeugsatz aus 1B bei der Umformung eines Metallbandes,
• 4: den Werkzeugsatz aus 2B bei der Umformung eines Metallbandes, und
• 5 den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
• 1A zeigt eine erste Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der in 1A gezeigte Werkzeugsatz 1 umfasst zwei zueinander zugeordnete Werkzeuge, bei denen es sich um Rollen 2A, 2B handelt. Die Rollen 2A, 2B sind drehbar gelagert und weisen jeweils eine Drehachse 3A, 3B auf. Bei dem in 1A gezeigten Werkzeugsatz 1 sind die Drehachsen 3A, 3B der beiden Rollen 2A, 2B parallel zueinander angeordnet. Die Rollen 2A, 2B weisen jeweils eine in Umfangsrichtung umlaufende Druckfläche 4A, 4B mit einer Kontur 5A, 5B zur Umformung von Metallbändern auf. Die Konturen 5A, 5B beider Rollen 2A, 2B sind kreisbogenförmig geformt und verändern ihre Form in Umfangsrichtung periodisch zwischen einem minimalen Radius R_min und einem maximalen Radius R_max. Es handelt sich um konkave, also nach innen gewölbte Konturen 5A, 5B. Die Konturen 5A, 5B erstrecken sich jeweils etwa entlang eines Halbkreises, so dass beide Konturen 5A, 5B gemeinsam eine vollständig umlaufende – kreisförmige – Gesamtkontur ergeben. Infolge der Anordnung der beiden Rollen 2A, 2B und der Form der beiden Konturen 5A, 5B bildet sich zwischen den beiden Konturen 5A, 5B der einander zugeordneten Rollen 2A, 2B eine Öffnung 6, durch welche die umzuformenden Metallbänder hindurchgeführt werden. Die Form der Konturen 5A, 5B bestimmt daher die Querschnittsform der Werkstücke bzw. Profile nach ihrer Umformung. Mit dem in 1A gezeigten Werkzeugsatz 1 können daher Metallbänder mit einem umlaufenden, kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden, deren Durchmesser periodisch zwischen einem Durchmesser D_min (= 2 × R_min) und D_max (= 2 × R_max) schwanken. Beide Rollen 2A, 2B können sich im Bereich einer Kontaktebene 7 berühren.
• In 1B ist eine zweite Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes 1' für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die bereits im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Bereiche des Werkzeugsatzes 1' sind in 1B mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Ausgestaltung des Werkzeugsatzes 1 und der zweiten Ausgestaltung des Werkzeugsatzes 1' liegt darin, dass der in 1B dargestellte Werkzeugsatz 1' nicht zwei, sondern vier einander zugeordnete Werkzeuge umfasst, bei denen es sich um Rollen 2A, 2B, 2C, 2D handelt. Bei dem in 1B dargestellten Werkzeugsatz 1' sind die Drehachsen 3A, 3B der beiden Rollen 2A, 2B nach wie vor parallel zueinander angeordnet. Auch die Drehachsen 3C, 3D der beiden zusätzlichen Rollen 2C, 2D sind parallel zueinander angeordnet. Diese Drehachsen 3C, 3D verlaufen jedoch in einem rechten Winkel (90°) zu den beiden anderen Drehachsen 3A, 3B. Die Konturen 5A, 5B, 5C, 5D der vier Rollen 2A, 2B, 2C, 2D sind auch bei dieser Ausgestaltung kreisbogenförmig geformt und verändern ihre Form in Umfangsrichtung periodisch zwischen einem minimalen Radius R_min und einem maximalen Radius R_max. Es handelt sich wiederum um konkave, also nach innen gewölbte Konturen 5A, 5B, 5C, 5D. Da nun vier Konturen 5A, 5B, 5C, 5D vorhanden sind, erstreckt sich jede Kontur 5A, 5B, 5C, 5D etwa entlang eines Viertelkreises, so dass die vier Konturen 5A, 5B, 5C, 5D gemeinsam eine vollständig umlaufende – kreisförmige – Gesamtkontur ergeben. Infolge der Anordnung der vier Rollen 2A, 2B, 2C, 2D und der Form der vier Konturen 5A, 5B, 5C, 5D bildet sich zwischen den vier Konturen 5A, 5B, 5C, 5D auch bei dieser Ausgestaltung eine Öffnung 6, durch welche die umzuformenden Metallbänder hindurchgeführt werden. Aufgrund der kreisrunden Form der Öffnung 6 können auch mit dem in 1B dargestellten Werkzeugsatz 1' Werkstücke mit einem umlaufenden, kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden, deren Durchmesser periodisch zwischen einem Durchmesser D_min (= 2 × R_min) und D_max (= 2 × R_max) schwanken. Die vier Rollen 2A, 2B, 2C, 2D können sich im Bereich von zwei Kontaktebenen 7', 7'' berühren.
• 2A zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes 1'' für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die bereits im Zusammenhang mit 1A und 13 beschriebenen Bereiche des Werkzeugsatzes 1'' sind auch in 2A mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen den ersten beiden Ausgestaltungen und der dritten Ausgestaltung des Werkzeugsatzes 1'' liegt darin, dass mit dem in 2A gezeigten Werkzeugsatz 1'' Werkstücke mit einem rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitten hergestellt werden, dessen Breite periodisch zwischen einer Breite B_min und einer Breite B_max schwankt. Um diese Querschnittsform zu erreichen, weisen die Druckflächen 4A, 4B keine kreisbogenförmigen, sondern U-förmige Konturen 5A, 5B auf. Diese Konturen 5A, 5B umfassen eine umlaufende Grundfläche 8 und zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen 9, wobei zwischen der Grundfläche 8 und beiden Seitenflächen 9 ein rechter Winkel (90°) entsteht. Der Abstand zwischen beiden Seitenflächen 9 wird als Breite bezeichnet und schwankt periodisch zwischen einer Breite B_min und einer Breite B_max. Gleiches gilt für die Höhe, also den Abstand zwischen den Grundflächen 8 der beiden Rollen 2A, 2B, die periodisch zwischen einer Höhe H_min und einer Höhe H_max schwankt. Zwischen den Grundflächen 8 und den Seitenflächen 9 sind Radien 10 vorgesehen, die im Bereich zwischen 0,3 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen können.
• In 2B ist eine vierte Ausgestaltung eines Werkzeugsatzes 1''' für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die bereits im Zusammenhang mit 1A bis 2A beschriebenen Bereiche des Werkzeugsatzes 1''' sind auch in 2B mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen der dritten Ausgestaltung des Werkzeugsatzes 1'' und der vierten Ausgestaltung des Werkzeugsatzes 1''' liegt darin, dass der in 2B dargestellte Werkzeugsatz 1''' nicht zwei, sondern vier einander zugeordnete Werkzeuge umfasst, bei denen es sich um Rollen 2A, 2B, 2C, 2D handelt. Bei dem in 2B dargestellten Werkzeugsatz 1''' sind die Drehachsen 3A, 3B der beiden Rollen 2A, 2B wiederum parallel zueinander angeordnet. Auch die Drehachsen 3C, 3D der beiden weiteren Rollen 2C, 2D sind parallel zueinander angeordnet. Diese Drehachsen 3C, 3D verlaufen jedoch in einem rechten Winkel (90°) zu den beiden anderen Drehachsen 3A, 3B. Auch mit dem in 2B gezeigten Werkzeugsatz 1''' sollen Werkstücke mit einem rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt hergestellt werden. Hierzu umfassen die Konturen 5A, 5B, 5C, 5D jeweils eine umlaufende Grundfläche 8 und eine umlaufende Seitenfläche 9, wobei zwischen der Grundfläche 8 und der Seitenflächen 9 ein rechter Winkel (90°) entsteht. Die Breite der Grundflächen 8 und die Höhe der Seitenflächen 9 schwankt auch bei dieser Ausgestaltung periodisch, so dass die Öffnung 6 eine Breite aufweist, die periodisch zwischen einer Breite B_min und einer Breite B_max schwankt und eine Höhe aufweise, die periodisch zwischen einer Höhe H_min und einer Höhe H_max schwankt.
• Bei allen zuvor dargestellten Ausgestaltungen kann der kleinste Radius R_min im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen und der größte Radius R_max kann im Bereich zwischen 200 mm und 500 mm liegen. Zudem kann die kleinste Breite B_min im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen und die größte Breite B_max kann im Bereich zwischen 200 mm und 500 mm liegen. Schließlich kann die kleinste Höhe H_min im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen und die größte Höhe H_max kann im Bereich zwischen 200 mm und 500 mm liegen.
• 3 zeigt den Werkzeugsatz 1 aus 1B bei der Umformung eines Metallbandes 11 zu einem geschlossenen Metallband (Profilstrang). Das Metallband 11 wird zunächst von einem hier nicht dargestellten Coil abgehaspelt/abgewickelt und in eine hier nicht dargestellte Richtmaschine zum Ausrichten des Metallbandes geführt. Im nächsten Schritt wird das Metallband 11 durch eine Einrichtung 12 zum Zuschneiden geführt und dort zugeschnitten. Insbesondere wird die Breite des Metallbandes angepasst. Die Einrichtung 12 umfasst eine Messerrolle 13 und eine Stützrolle 14. Das beschnittene Metallband 11 wird sodann zu einem einseitig offenen Profil umgeformt, wobei vorzugsweise zunächst der kleinste Radius und/oder die wenigstens teilweise kleinste halbe Querschnittsabmessung der Endgeometrie in das einseitig offene, nicht längsveränderliche Profil eingeformt wird. Die hierbei eingesetzten Werkzeuge sind in 3 nicht dargestellt, dieser Schritt kann jedoch beispielsweise durch eines der eingangs beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Die einseitig offenen Profile werden im Weiteren durch den erfindungsgemäßen Werkzeugsatz 1' zu einem geschlossenen Profil (geschlossenes Metallband) mit einem Längsschlitz umgeformt. Nach diesem Schritt kann das Profil entlang des Längsschlitzes verschweißt werden und, soweit erforderlich, weiter umgeformt und abgelängt werden (beides in 3 nicht dargestellt). Das Ergebnis ist ein symmetrisch oder asymmetrisch geformtes geschlossenes Hohlprofil mit einem kreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser sich entlang der Länge des Hohlprofils periodisch verändert („Kegelprofil”).
• In 4 ist der Werkzeugsatz 1''' aus 2B bei der Umformung eines Metallbandes dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu 3 liegt darin, dass ein anderer Werkzeugsatz eingesetzt wird. Dies führt dazu, dass das Ergebnis ein symmetrisch oder asymmetrisch geformtes geschlossenes Hohlprofil mit einem quadratischen Querschnitt ist, dessen Höhe und Breite sich entlang der Länge des Hohlprofils periodisch verändern („Vierkantprofil”).
• 5 zeigt schließlich den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung. Gemäß dem (optionalen) Schritt I. werden die Metallbänder zunächst abgewickelt. Dies ist insbesondere bei auf Coils aufgewickelten Metallbändern erforderlich. Anschließend werden die Metallbänder in Schritt II. ausgerichtet, wobei es sich ebenfalls lediglich um einen optionalen Schritt handelt. Dies dient dem Zweck, dass die nachfolgenden Schritte besonders präzise durchgeführt werden können. Sodann werden die Metallbänder in Schritt III. zugeschnitten, was beispielsweise durch die zuvor beschriebene Einrichtung 12 mit einer Messerrolle 13 und einer Stützrolle 14 erfolgen kann. Auch dieser Schritt ist lediglich optional, da er nur dann erfolgen braucht, wenn die Abmessungen des bereitgestellten Metallbandes nicht zu der zu erreichenden Endgeometrie passen. In den nachfolgenden Schritten IV. und V. werden die Metallbänder umgeformt, wobei zunächst eine Umformung zu einem einseitig offenen, nicht längsveränderlichen Profil erfolgt (Schritt IV.), wobei vorzugsweise zunächst der kleinste Radius und/oder die wenigstens teilweise kleinste halbe Querschnittsabmessung der Endgeometrie in das einseitig offene Profil eingeformt wird, und anschließend eine Umformung zu einem geschlossenen, längsveränderlichen Profil (geschlossenes Metallband) mit einem Längsschlitz erfolgt (Schritt V.). Im Anschluss an die Umformung können die geschlossenen Metallbänder mit einem längsveränderlichen Querschnitt entlang des Längsschlitzes verschweißt werden (Schritt VI.). Auch dieser Schritt ist lediglich optional, da alternativ auch andere Fügeverfahren wie beispielsweise Klebverfahren eingesetzt werden können. Abschließend kann – wiederum optional – eine Umformung/Nachformung des verschweißten Hohlprofils erfolgen (Schritt VII.). Durch eine abschließende Umformung kann entweder eine besonders genaue Endgeometrie sichergestellt werden, da unerwünschte Verformungen – die möglicherweise beim Verschweißen entstanden sind – korrigiert werden können oder es erfolgt die finale Anpassung an die Endgeometrie, wenn dies nur im geschlossenen und verschweißten Zustand (vollständig geschlossen) möglich ist.
• Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 1'''

Werkzeugsatz

2A, 2B, 2C, 2D

Rolle

3A, 3B, 2C, 2D

Drehachse (der Rolle)

4A, 4B, 4B, 4C

Druckfläche

5A, 5B, 5C, 5D

Kontur

6

Öffnung

7, 7', 7''

Kontaktebene

8

Grundfläche

9

Seitenfläche

10

Radius

11

Metallband

12

Einrichtung zum Zuschneiden

13

Messerrolle

14

Stützrolle

R_min, R_max

Radius (der Kontur)

D_min, D_max

Durchmesser (der Kontur)

B_min, B_max

Breite (der Kontur)

H_min, H_max

Höhe (der Kontur)

I.–VII.

Verfahrensschritte

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102007005880 B4 [0005]
• DE 19754171 A1 [0005]
• DE 10011755 A1 [0005]
• JP 59027722 A [0007, 0008]

Claims (18)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend: – eine Einrichtung zum Umformen der Metallbänder (11), – wobei die Einrichtung wenigstens einen Werkzeugsatz (1, 1', 1'', 1''') mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D) umfasst, – wobei die Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D) eine in Umfangsrichtung umlaufende Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) mit einer Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) zur Umformung der Metallbänder (11) aufweisen, und – wobei die Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) von wenigstens einem Werkzeug (2A, 2B, 2C, 2D) nicht-rotationssymmetrisch ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckflächen (4A, 4B, 4C, 4D) aller Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D), wenigstens aber eines Werkzeugsatzes (1, 1', 1'', 1''') konkav geformt sind, um ein Profil mit geschlossenem Querschnitt zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens ein Werkzeugsatz (1, 1', 1'', 1''') mit jeweils wenigstens zwei drehbar gelagerten und zueinander zugeordneten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Werkzeugsatz (1, 1', 1'', 1''') zwei, drei oder vier drehbar gelagerte Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) von wenigstens einem Werkzeug (2A, 2B, 2C, 2D) kreisbogenförmig, eckig oder oval, insbesondere elliptisch geformt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Radius der Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) von wenigstens einem Werkzeug (2A, 2B, 2C, 2D) in Umfangsrichtung zwischen einem minimalen Radius (R_min) und einem maximalen Radius (R_max) verändert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teillänge der jeweiligen eckigen Querschnittsfläche der Kontur (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckfläche (4A, 4B, 4C, 4D) von wenigstens einem Werkzeug (2A, 2B, 2C, 2D) in Umfangsrichtung zwischen minimalen Längen (L_min) und maximalen Längen (L_max) verändert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen (5A, 5B, 5C, 5D) der Druckflächen (4A, 4B, 4C, 4D) der Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D) wenigstens eines Werkzeugsatzes (1, 1', 1'', 1''') gegeneinander positioniert eine umlaufende Gesamtkontur mit einer Öffnung (6) ergeben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch vorgelagerte Einrichtungen zum Abhaspeln, ggf. Richten und zum Zuschneiden (12) der Metallbänder (11).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine nachgelagerte Einrichtung zum Verschweißen der geschlossenen Metallbänder (11).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine nachgelagerte Einrichtung zum Nachformen der geschlossenen Metallbänder.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine nachgelagerte Einrichtung zum Abtrennen der geschlossenen Metallbänder.
12. Verfahren zum kontinuierlichen voranschreitenden Umformen von Metallbändern (11) zu einem Profil mit längsveränderlichem Querschnitt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung mit wenigstens zwei drehbar gelagerten und einander zugeordneten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D), und b) Umformen der Metallbänder (11) durch die Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D), dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbänder (11) in Schritt b) durch die Werkzeuge (2A, 2B, 2C, 2D) derart umgeformt werden, dass sich ein geschlossenes Hohlprofil mit einem Längsschlitz ausbildet.
13. Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bereitgestellt wird.
14. Verfahren nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) die folgenden Teilschritte umfasst: b1) Umformen des Metallbänder (11) zu einem einseitig offenen Profil, nicht längsveränderlichen Profil mit im Wesentlichen senkrecht stehenden Schenkeln, wobei der kleinste Radius und/oder die wenigstens teilweise kleinste halbe Querschnittsabmessung der Endgeometrie eingebracht wird, und b2) das weitere Umformen des einseitig offenen Profils (11) zu einem geschlossenen Hohlprofil mit einem Längsschlitz.
15. Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschritte b1) und b2) auf separaten Werkzeugsätzen (1, 1', 1'', 1''') mit jeweils wenigstens zwei zueinander zugeordneten und drehbar gelagerten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D) durchgeführt werden.
16. Verfahren nach einem der Patentansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte, die vor Schritt b) ausgeführt werden: ba) Abhaspeln, ggf. Richten und Zuschneiden der Metallbänder (11).
17. Verfahren nach einem der Patentansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt, der nach Schritt b) ausgeführt wird: c) Verschweißen der geschlossenen Metallbänder (11) entlang des Längsschlitzes.
18. Verfahren nach Patentanspruch 17, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt, der nach Schritt c) ausgeführt wird: d) Umformen/Nachformen des verschweißten Metallbandes mit wenigstens zwei einander zugeordneten und drehbar gelagerten Werkzeugen (2A, 2B, 2C, 2D) in einem Werkzeugsatz, und e) Ablängen zu Einzelprofilen.

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