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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Balgs mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3.
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Verfahren zur Herstellung von Metall-Bälgen sind bekannt. In diesem Zusammenhang werden Metall-Bälge angesprochen, die beispielsweise als flexible Dichtelemente und in Zusammenhang mit Stellelementen verwendet werden, und die dazu dienen, axiale, laterale und angulare Bewegungen aufzunehmen. Beispiele für Anwendungen finden sich unter anderem in der Mess- und Regeltechnik, beispielsweise zur Realisierung von Thermostaten und Druckschaltern, oder in der Automobilindustrie, wo sie beispielsweise als Entkopplungselemente in Abgasanlagen eingesetzt werden und häufig hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Bei der Herstellung derartiger Metall-Bälge werden mechanische Rollverfahren eingesetzt, mit denen die Bälge in ihre endgültige Form gebracht werden. Bei diesen Verfahren wird als Ausgangsmaterial zum Beispiel Blech verwendet. Auch ist es möglich, derartige Metall-Bälge im Wege der hydraulischen Umformung herzustellen, wobei als Ausgangsmaterial bevorzugt längsnahtgeschweißte Bandmaterialien oder gezogene Rohre herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass mechanische Rollverfahren bei der Herstellung von Metall-Bälgen mit kleinen Durchmessern unter circa 6 mm aufgrund der eingesetzten Werkzeuggeometrien nicht wirtschaftlich sind. Auch bei der hydraulischen Umformung ergeben sich Nachteile, weil bei kleinen Bälgen aufgrund der geringen Durchmesser-/Wanddicken-Verhältnisse sehr große Drücke von bis zu über 1000 bar aufgebracht werden müssen, was eine sehr aufwändige Maschinentechnik erfordert sowie hohe Fertigungskosten verursacht. Außerdem sind im Wege der hydraulischen Umformung hergestellte Bälge, die aus längsnahtgeschweißten Bandmaterialien oder gezogenen Rohren bestehen, aufgrund der hohen Drücke, insbesondere im Bereich der Schweißnähte, anfällig für Risse und Platzer. In vielen Fällen ist es wünschenswert, Bälge mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm zu verwenden, um diese auch unter beengten Raumverhältnissen einzusetzen. Es hat sich gezeigt, dass im Bereich dieser Anwendungsfälle hydraulische Verfahren sehr aufwändig oder praktisch gar nicht einsetzbar sind. Im Übrigen hat sich herausgestellt, dass es für die Herstellung von Metall-Bälgen, die eine hohe Flexibilität und Lebensdauer aufweisen sollen, wesentlich ist, eine möglichst hohe Ausformung der auch als Balgwellen bezeichneten Außen- beziehungsweise Innenkrempen bei sehr geringem Wellenabstand zu erreichen. Die hier angesprochenen Herstellungsverfahren erlauben insbesondere bei der Herstellung von Bälgen aus austenitischen Edelstahllegierungen oder Nickel-Basislegierungen keine Umformverhältnisse von mehr als 40 %. Mit dem Begriff „Umformverhältnis“ wird das Verhältnis von Rohrdurchmesser zu dem Balg-Außendurchmesser bezeichnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Balgs zu schaffen, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist und die genannten Nachteile vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Bei diesem Verfahren wird ein Hohlraum mit einer Innenfläche bereitgestellt, die keine Balgkontur aufweist und vorzugsweise ellipsenförmig, insbesondere rotationssymmetrisch, ausgebildet ist. In diesen Hohlraum wird ein Kern eingebracht, der konzentrisch zu dem Hohlraum angeordnet ist und eine komplementär zur Innenfläche ausgebildete Außenfläche aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass deren Außenabmessungen kleiner sind als die Innenabmessungen der Innenfläche des Hohlraums. In den sich dadurch ergebenden Freiraum zwischen der Innenfläche des Hohlraums und der Außenfläche des Kerns wird ein mindestens ein Metall und wenigstens ein Bindemittel umfassendes Spritzgussmaterial eingebracht und ein hohler Grünling hergestellt. Dieser wird letztlich entbindert und gesintert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Entbindern und Sintern des Grünlings dieser zu einem Balg mit mindestens einer Außenkrempe und/oder mindestens einer Innenkrempe umgeformt wird. Wesentlich ist also, dass zunächst ein hohler Grünling ohne eine Balgkontur hergestellt wird und dass dieser zu einem Balg umgeformt wird. Die Umformung des Grünlings ist vor dem Entbindern und Sintern mit wesentlich geringeren Kräften möglich, als dies der Fall ist, wenn ein Rohling aus Blech zu einem Balg umgeformt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird auch ein Verfahren geschaffen, welches die Merkmale des Anspruchs 2 aufweist. Bei diesem Verfahren wird ein Hohlraum bereitgestellt, dessen Innenfläche segmentförmig ausgebildet ist, also keine in sich geschlossene Kontur aufweist. Außerdem wird ein Formkörper bereitgestellt, dessen Außenfläche im Querschnitt gesehen komplementär zur Innenfläche des Hohlraums ausgebildet ist. Dieser Formkörper wird derart in den Hohlraum eingebracht, dass die Außenfläche des Formkörpers in einem vorzugsweise gleichbleibenden Abstand zur Innenfläche des Hohlraums angeordnet ist und auf diese Weise ein im Querschnitt gesehen segmentförmiger Freiraum geschaffen wird. In diesen Freiraum wird ein mindestens ein Metall und wenigstens ein Bindemittel umfassendes Spritzgussmaterial zur Erzeugung eines im Querschnitt gesehen segmentförmigen Grünlingselements eingebracht. In einem nächsten Schritt wird ein derartiges segmentförmiges Grünlingselement mit wenigstens einem weiteren segmentförmigen Grünlingselement zu einem hohlen Grünling mit geschlossener Außenfläche zusammengesetzt, der noch keine Balgstruktur aufweist. Das segmentförmige Grünlingselement kann beispielsweise eine Halbschale sein, die einen Halbzylinder oder eine Halbellipse darstellt. Zwei derartige segmentförmige Grünlingselemente können zu einem hohlen Grünling zusammengesetzt werden. Es ist ersichtlich, dass auch drei Grünlingssegmente, die ein Drittel eines Zylinders darstellen, zu einem hohlen Grünling zusammensetzbar sind. Dieser aus Segmenten zusammengesetzte hohle Grünling wird letztlich entbindert und gesintert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Entbindern und Sintern der Grünling zu einem Balg mit mindestens einer Außenkrempe und/oder mindestens einer Innenkrempe umgeformt wird. Das Material des Grünlings ist vor dem Entbindern und Sintern wesentlich leichter umformbar, als dies bei üblichen Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Metall-Bälgen der Fall ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Balgs vorgeschlagen, welches die in Anspruch 3 aufgeführten Merkmale aufweist. Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird ein mindestens ein Metall und wenigstens einen Binder umfassendes Spritzgussmaterial bereitgestellt, welches in einem Rohrextrusionsverfahren verwendet wird. Mithilfe dieses Verfahrens wird ein hohler Grünling hergestellt, der noch keine Balgkontur aufweist. Letztlich wird der Grünling entbindert und gesintert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Grünling allerdings zuvor zu einem Balg mit mindestens einer Außenkrempe und/oder mindestens einer Innenkrempe umgeformt wird. Das Material des Grünlings ist vor dem Entbindern und Sintern wesentlich nachgiebiger als es die üblichen Materialien sind, die bei der Herstellung von Metall-Bälgen verwendet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Umformung des Grünlings unter Wärmeeinwirkung erfolgt, um dessen Umformbarkeit zu verbessern. Das Verfahren kann also in beheizter Umgebung und/oder mittels eines beheizten Werkzeugs durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, während des Verfahrens eine Wärmequelle einzusetzen, die auf den Grünling einwirkt.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Umformung des Grünlings ein hydraulisches Verfahren eingesetzt wird, bei welchem der Innenraum beziehungsweise das Innere des hohlen Grünlings mit einem Überdruck beaufschlagt wird, um diesen in die gewünschte Balgform zu überführen, also mindestens eine Außen- und/oder Innenkrempe auszuformen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Umformung des Grünlings mittels eines mechanischen Rollverfahrens durchgeführt wird. Dabei kann der Grünling nur von außen durch Formrollen oder durch eine Kombination aus Innen- und Außenrollen in seine endgültige Form überführt werden.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch ein Werkzeug zur hydraulischen Umformung eines Grünlings in drei Funktionsstellungen;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs zur Durchführung eines mechanischen Rollverfahrens zur Umformung eines Grünlings und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs zur Durchführung eines mechanischen Rollverfahrens zur Umformung eines Grünlings.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Metall-Balgs zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Grünling aus einem wenigstens ein Metall und mindestens ein Bindemittel umfassenden Spritzgussmaterial hergestellt wird. Der Grünling zeichnet sich dadurch aus, dass er als Hohlkörper ausgebildet ist und noch nicht mit der Kontur eines Metall-Balgs versehen ist. Für das Verfahren ist es von untergeordneter Bedeutung, ob der Grünling im Querschnitt gesehen im Wesentlichen ellipsenförmig oder rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Letztlich wäre auch beispielsweise in dem hier angesprochenen ersten Verfahrensschritt ein hohler Grünling herstellbar, der im Querschnitt gesehen eine Mehrkantkontur aufweist, beispielsweise sechseckig ausgebildet ist. Bevorzugt ist aber vorgesehen, dass in dem ersten Verfahrensschritt ein hohler Grünling hergestellt wird, der im Querschnitt rotationssymmetrisch ist. In allen Fällen ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Grünlings entlang seiner Längserstreckung gesehen im Wesentlichen konstant beziehungsweise konstant ist, also keine Außen- und/oder Innenkrempen aufweist, wie dies bei einem fertigen Balg vorgesehen ist.
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Der Grünling wird letztlich entbindert, das heißt, dass durch Wärmeeinwirkung das wenigstens eine Bindemittel aus dem Grünling entfernt wird. Außerdem wird der Grünling gesintert, sodass ein Metallkörper gebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Entbindern und Sintern des Grünlings dieser umgeformt wird, um einen Balg mit mindestens einer Außen- und/oder mindestens einer Innenkrempe herzustellen. Entscheidend ist also, dass bei dem Umformungsschritt dieses Verfahrens der Grünling eben noch nicht entbindert und gesintert ist, sodass sein Grundkörper mit deutlich reduzierten Kräften sowohl in einem hydraulischen als auch in einem mechanischen Umformverfahren zu einem Balg umgeformt werden kann. Die dafür erforderlichen Kräfte liegen wesentlich unter denen, die zur Umformung der für herkömmliche Metall-Bälge verwendeten Ausgangsmaterialien, wie sie oben erwähnt wurden.
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Zur Realisierung des Herstellungsverfahrens werden drei verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, den Grünling, der einem Umformprozess unterworfen werden soll, herzustellen.
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Bei einer ersten Variante des Verfahrens wird ein Hohlraum mit einer Innenfläche bereitgestellt, die in Längsrichtung gesehen keine Aus- oder Einstülpungen aufweist, also keine Konturen, die der Ausbildung einer Innen- oder Außenkrempe dienen. Der Querschnitt des Hohlraums kann in einem weiten Rahmen gewählt und auf einen Verwendungsfall des fertigen Metall-Balgs abgestimmt werden. Vorzugsweise ist die Innenfläche des Hohlraums ellipsenförmig, insbesondere aber rotationssymmetrisch ausgebildet und weist möglichst keine in Längsrichtung verlaufende Nuten oder Ausstülpungen auf, welche bei einem fertigen Metall-Balg eine Rissbildung fördern könnten. Insbesondere haben sich, wie gesagt, rotationssymmetrische Innenflächen bewährt.
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In diesen Hohlraum wird ein Kern eingebracht, der konzentrisch zur Längserstreckung des Hohlraums ausgerichtet ist und eine komplementär zur Innenfläche ausgebildete Außenfläche aufweist. Diese ist also, je nach Ausgestaltung der Innenfläche des Hohlraums, ebenfalls ellipsenförmig oder insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Wesentlich ist, dass die Außenabmessungen der Außenfläche kleiner sind als die Innenabmessungen der Innenfläche. Bei einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Innenfläche ist der Innendurchmesser dieser Innenfläche größer als der Außendurchmesser der Außenfläche. Entscheidend ist, dass zwischen der Innenfläche des Hohlraums und der Außenfläche des Kerns nach dem Einbringen des Kerns in den Hohlraum ein Freiraum verbleibt. In diesen wird ein mindestens ein Metall und wenigstens ein Bindemittel umfassendes Spritzgussmaterial eingebracht, um einen Grünling herzustellen. Das Einbringen von Spritzgussmaterial in einen Freiraum der hier angesprochenen Art ist bekannt. In der Regel wird das Spritzgussmaterial erwärmt und unter Druck in den Freiraum eingespritzt, der seinerseits erwärmt sein kann.
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Durch das hier beschriebene Verfahren wird also ein Freiraum geschaffen, der die Kontur eines hohlen Grünlings vorgibt. Nach Einbringen des Spritzgussmaterials in den Freiraum kann der Kern aus dem Hohlraum herausgezogen werden, weil dessen Außenfläche – in Richtung der Längserstreckung des Kerns gesehen – keine Vertiefungen oder Erhöhungen aufweist. Da dies auch für die Innenfläche gilt, kann der Grünling leicht aus dem Hohlraum entfernt werden.
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Es ist aber möglich, zur Realisierung des Hohlraums ein Werkzeug mit beispielsweise zwei Teilen vorzusehen, die zusammengefügt werden können, und damit die hier angesprochene Innenfläche realisieren. Die Werkzeuge können also eine halbzylindrische Innenfläche aufweisen und nach Fertigstellung des Grünlings leicht abgenommen werden. Diese bevorzugte Vorgehensweise ermöglicht es, dass auch relativ weiche Grünlinge dem Hohlraum entnommen werden können.
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Der fertige Grünling, der also noch keine Balgstrukturen aufweist, wird vor dem Entbindern und Sintern, also in einem vergleichsweise weichen Zustand, umgeformt zu einem Balg, der mindestens eine Außen- und/oder mindestens eine Innenkrempe aufweist. Die Anzahl der Krempen ist bei dem Umformungsprozess des Grünlings in einem weiten Rahmen frei wählbar. Außerdem ist es leicht möglich, hohe Umformungsverhältnisse zu realisieren, weil das Material des Grünlings relativ weich ist und sich daher leicht umformen lässt.
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Bei einer anderen Vorgehensweise wird ebenfalls ein Grünling der oben angesprochenen Art hergestellt. Es wird allerdings ein Hohlraum bereitgestellt, dessen Innenfläche im Querschnitt gesehen nicht die komplette Außenfläche des fertigen Grünlings umschreibt. Vielmehr ist vorgesehen, dass die Innenfläche lediglich ein Segment der späteren Außenfläche des Grünlings umschreibt. Auch hier gilt das zum ersten Verfahren Gesagte entsprechend. Vorzugsweise ist die Innenfläche im Querschnitt gesehen als Teil einer Ellipse oder aber insbesondere als Teil eines Kreises ausgebildet. Außerdem wird ein Formkörper bereitgestellt, dessen Außenfläche im Querschnitt gesehen komplementär zur Innenfläche ausgebildet ist. Dieser Formkörper wird derart in den Hohlraum eingebracht, dass dessen Außenfläche in einem vorzugsweise gleichbleibenden Abstand zur Innenfläche des Hohlraums angeordnet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Außenabmessungen der Außenfläche kleiner sind als die der Innenfläche des Hohlraums. Es verbleibt also ein segmentförmiger Freiraum zwischen der Innen- und der Außenfläche.
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In diesen wird ein mindestens ein Metall und wenigstens ein Bindemittel umfassendes Spritzgussmaterial zur Erzeugung eines im Querschnitt gesehen segmentförmigen Grünlingselements eingebracht. Wie gesagt ist es bekannt, in einen Freiraum der hier angesprochenen Art ein entsprechendes Spritzgussmaterial vorzugsweise unter Druck und unter Wärmeeinwirkung einzubringen.
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Auf diese Weise wird also ein segmentförmiges Grünlingelement hergestellt, das derart ausgebildet ist, dass aus mindestens zwei derartigen Grünlingelementen ein hohler Grünling mit geschlossener Außenwand zusammensetzbar ist. Dabei ist es möglich, beispielsweise zwei halbzylindrische segmentförmige Grünlingelemente zusammenzusetzen oder aber Elemente, die weniger als die Hälfte eines Zylinders ausmachen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass die segmentförmigen Grünlingelemente alle gleich ausgebildet sind. Denkbar ist es beispielsweise, eine Halbschale mit halbzylindrischer Querschnittsform mit zwei Schalen zusammenzufügen, die einen Viertelkreis umschreiben.
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Entscheidend ist, dass die Elemente zu einem hohlen Grünling zusammensetzbar sind, dessen Innen- und Außenfläche entlang seiner Längserstreckung keine Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweisen, wie dies oben erwähnt ist. Das Zusammenfügen eines Grünlings aus mehreren Elementen ist bekannt, sodass hier auf das Zusammenfügen der segmentförmigen Grünlingelemente zur Herstellung des vollständigen hohlen Grünlings nicht näher eingegangen wird.
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Letztlich wird der Grünling entbindert und gesintert. Das Verfahren zeichnet sich auch hier dadurch aus, dass der aus mehreren segmentförmigen Grünlingelementen zusammengesetzte Grünling zu einem Balg mit mindestens einer Außen- und/oder mindestens einer Innenkrempe umgeformt wird.
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Auch hier ist also vorgesehen, dass der Grünling, der relativ weich ausgebildet ist, insbesondere im Vergleich zu üblichen Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Metall-Bälgen, umgeformt wird und nicht ein entbinderter und gesinterter Ausgangskörper.
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Bei einer dritten Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Balgs wird ebenfalls ein hohler Grünling mit einer durchgehenden Außenfläche erzeugt, der letztlich entbindert und gesintert wird. Hier wird wiederum ein mindestens ein Metall und wenigstens einen Binder umfassendes Spritzgussmaterial bereitgestellt, welches dann bei einem Rohrextrusionsverfahren eingesetzt wird. Mithilfe dieses Verfahrens wird ein hohler Grünling hergestellt, der in Richtung seiner Längserstreckung keine Vertiefungen oder Erhöhungen im Sinne von Innen- oder Außenkrempen aufweist, also noch nicht die Kontur eines Balgs zeigt.
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Dieser Grünling wird letztlich entbindert und gesintert. Charakteristisch für das Verfahren ist jedoch, wie bei den oben genannten Verfahren, dass der hohle Grünling vor dem Entbindern und Sintern umgeformt wird, um einen Balg mit mindestens einer Außenkrempe und/oder mindestens einer Innenkrempe zu realisieren. Auch hier sind die bei der Umformung des Grünlings erforderlichen Kräfte wesentlich reduziert gegenüber der bekannten Methode, Metall-Bälge herzustellen, wo metallische Ausgangsmaterialien eingesetzt werden.
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Nach Bereitstellung eines hohlen Grünlings ohne Balgkontur erfolgt also die Umformung des Grünlings, um letztlich eine Balgkontur zu realisieren. Das Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass der Grünling erwärmt wird, um dessen Umformbarkeit zu verbessern. Die Erwärmung kann dadurch erfolgen, dass das Umformverfahren in beheizter Umgebung und/oder mittels eines beheizten Werkzeugs durchgeführt wird. Zusätzlich oder stattdessen ist es möglich, eine auf den Grünling einwirkende Wärmequelle einzusetzen, um die Erwärmung des Grünlings zu erreichen und die bei der Umformung erforderlichen Kräfte möglichst zu reduzieren. Dabei ist es bei der hydraulischen Umformung des Grünlings möglich, in dessen Inneres ein erwärmtes Medium einzubringen, um die Wandung des Grünlings unter erhöhten Temperaturen zu einem Balg umzuformen. Die bei der Umformung des Grünlings 3 gewählte Temperatur hängt von den Materialien, insbesondere von dem Binder des Spritzgussmaterials ab, welches zur Herstellung des Grünlings 3 eingesetzt wird.
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1 zeigt schematisch im Querschnitt ein Werkzeug 1 zur hydraulischen Umformung eines Grünlings 3, welcher in einem der oben genannten Verfahren hergestellt wurde. 1 gibt das Werkzeug 1 in drei Funktionsstellungen wieder. Ganz links ist der Grünling 3 in das Werkzeug 1 eingesetzt. Es ist ersichtlich, dass er in Richtung seiner Längserstreckung, also in Richtung der Mittelachse 5 gesehen, keine Bereiche aufweist, die eine Nut oder Auswölbung darstellen. Beispielhaft ist hier ein zylindrischer Grünling 3 dargestellt. Allerdings ist der Schnittdarstellung nicht zu entnehmen, ob der Grünling möglicherweise im Querschnitt gesehen elliptisch ausgebildet ist, was auch möglich wäre
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Durch das hier dargestellte Werkzeug 1 wird letztlich aus dem Grünling 3 ein Balg 7 hergestellt, der zwei Außenkrempen 9/1 und 9/2 sowie eine Innenkrempe 11 aufweist.
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In der links in 1 wiedergegebenen ersten Funktionsstellung des Werkzeugs 1 liegen drei Werkzeugelemente 13/1, 13/2, 13/3 außen auf der Umfangsfläche 15 an. In das Innere 17 das heißt in den Innenraum, des Balgs 7 sind rechts und links Stützkörper 19/1 und 19/2 eingebracht, die an der Innenfläche 21 des Grünlings 3 dichtend anliegen. Vorzugsweise kann auch zusätzlich noch eine hier angedeutete Dichtung 23 in jedem der Stützkörper 19/1, 19/2 vorgesehen sein, um einen druckdichten Abschluss zwischen Stützkörper 19/1, 19/2 und dem Grünling 3 zu gewährleisten. Dieser wird zwischen der Außenfläche des Stützkörpers 19/1, 19/2 und einem zugehörigen Werkzeugelement 13/1 beziehungsweise 13/3 eingeklemmt, sodass der Grünling 3 im Bereich der Stützkörper 19/1 und 19/2 sicher gehalten wird.
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Die Stützkörper 19/1 und 19/2 sind so ausgebildet, hier mit Durchgangslöchern 25/1, 25/2 versehen, dass ein Druck p in das Innere 17 des Grünlings 3 eingeleitet werden kann.
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2 zeigt eine zweite Funktionsstellung des Werkzeugs 1, nämlich eine Zwischenstellung, in welcher die drei Werkzeugelemente 13/1, 13/2, 13/3 in Richtung der Längserstreckung des Grünlings 3 aufeinander zu bewegt werden. Denkbar ist es beispielsweise, wie in 1 durch Pfeile dargestellt, die beiden äußeren Werkzeugelemente 13/1 und 13/3 auf das mittlere Werkzeugelement 13/2 zuzubewegen. Entscheidend ist aber, dass überhaupt eine Relativbewegung der drei Werkzeugelemente erfolgt, sodass diese in einem geringeren in Längsrichtung des Grünlings 3 gemessenen Abstand angeordnet sind, als dies links in 1 dargestellt ist. Dadurch, dass im Inneren 17 des Grünlings 3 ein Überdruck P aufgebaut wird, wölbt sich dessen Außenwand nach außen in Freiräume 27/1 und 27/2, die zwischen jeweils zwei benachbarten Werkzeugelementen 13/1 und 13/2 beziehungsweise 13/2 und 13/3 vorgesehen sind.
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Ganz rechts in 1 ist das Werkzeug 1 in seiner Endstellung eines hydraulischen Umformvorgangs wiedergegeben. Das heißt, die drei Werkzeugelemente 13/1 und 13/2 sowie 13/3 sind vollständig – in Längserstreckung des Grünlings 3 gesehen – aufeinander zu bewegt worden, sodass sie aneinander anliegen.
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Ganz rechts in 1 wird deutlich, dass zwischen den aneinander anliegenden Werkzeugelementen 13/1, 13/2 und 13/3 Freiräume 27/1, 27/2 gebildet werden, deren dem Grünling 3 zugewandten Innenflächen der Außenkontur eines fertigen Metall-Balgs entsprechen. Durch den im Inneren 17 des Grünlings 3 wirkenden Druck p wird dieser vollflächig an die Innenseite des Werkzeugs 1 angedrückt, sodass Außenkrempen 9/1 und 9/2 beziehungsweise eine Innenkrempe 11 ausgebildet werden.
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Durch den über die Öffnungen 25/1 und 25/2 im Inneren des druckdicht im Werkzeug 1 angeschlossenen Grünlings wirkenden Druck p wird dessen Außenwand an die durch die zusammengeschobenen Werkzeugelemente 13/1 bis 13/3 gebildete Innenfläche des Werkzeugs 1 angelegt, sodass ein aus dem Grünling 3 hergestellter Balg vorliegt, der hier zwei Außenkrempen 9/1 und 9/2 und eine Innenkrempe 11 umfasst.
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2 zeigt ein Werkzeug 1‘, mit dessen Hilfe ein im Wesentlichen rotationssymmetrisch beziehungsweise zylindrisch ausgebildeter hohler Grünling 3 zu einem Balg 7 umgeformt wird. Das in 2 wiedergegebene Werkzeug 1‘ wird für ein mechanisches Rollverfahren verwendet, mit dessen Hilfe der Grünling 3 nur von außen durch Formrollen 29 in seine endgültige Form gebracht wird und die Kontur eines Balgs 7 mit mindestens einer Außen 9 – und/oder mindestens einer Innenkrempe 11 annimmt.
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Das aus 2 ersichtliche Werkzeug 1‘ ist grundsätzlich bekannt, sodass auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet werden kann. Es wird allerdings bislang nur dazu eingesetzt, aus Metallen hergestellte Rohlinge zu einem Balg umzuformen, wobei hohe Umformkräfte erforderlich sind. In 2 wird das bekannte Werkzeug 1‘ mit den Formrollen 29, die sich um eine Drehachse 31 drehen, was durch einen Pfeil 33 angedeutet ist, mit einem Grünling 3 in Eingriff gebracht, der in einem der drei genannten Verfahren hergestellt wurde. In 2 ist vorgesehen, dass der Grünling 3 eine Relativbewegung entlang seiner Mittelachse 5 gegenüber den Formrollen 29 durchführt. Denkbar ist es aber auch, den Grünling 3 stationär anzuordnen, also in Richtung seiner Mittelachse 5 nicht zu verlagern, und das Werkzeug 1‘ mit den Formrollen 29 an der Außenfläche des Grünlings 3 entlang zu bewegen.
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Der Abstand zwischen dem Werkzeug 1‘ und dem Grünling 3 ist so gewählt, dass die Formrollen 29 in die Umfangsfläche 15 des Grünlings 3 eingreifen, um in diese Vertiefungen einzudrücken. Der Grünling 3 kann bei der Umformung zu einem Balg 7 in Rotation versetzt, sodass dessen Umfangsfläche 15 umlaufend bearbeitet wird. Möglich ist es aber auch, dass Werkzeug 1‘ um die Umfangsfläche 15 des Grünlings 9 umlaufen zu lassen, um mit den Formrollen 29 des Werkzeugs 1‘ einen Balg 7 aus dem Grünling 3 herzustellen. Dabei ist es im Übrigen denkbar, mehrere gleichartige Werkzeuge um den Rohling 3 umlaufen zu lassen, um dessen Umfangsfläche 15 zu einem Balg 7 umzuformen.
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In 2 ist zu erkennen, dass der Grünling 3 auf seiner Umfangsfläche 15 rechts von dem Werkzeug 1‘ keinerlei Verformungen aufweist. Dieser Bereich des Grünlings 3 ist also noch unverformt und in einem Zustand, wie er nach einem der drei Verfahren hergestellt wurde.
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2 ist zu entnehmen, dass der Grünling 3 mit dem in 2 links angeordneten Ende als erstes in Eingriff tritt mit den Formrollen 29 des Werkzeugs 1‘, und dass diese in dessen Umfangsfläche 15 eine Balgstruktur ausformen. Dies geschieht dadurch, dass die Abstände der Formrollen 29 von rechts nach links in 2 gesehen immer kleiner werden, sodass der Grünling 3 beim Durchlaufen des Werkzeugs 1‘ gestaucht wird und letztlich die Außenkrempen 9 und Innenkrempen 11 ausgeformt werden. Es ist, wie gesagt, bekannt, einen zylindrischen Ausgangskörper aus Metall mit einem Werkzeug 1‘ gemäß 2 umzuformen und dabei mindestens eine Außenkrempe 9 und wenigstens eine Innenkrempe 11 auszubilden, wie dies hier dargestellt ist.
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3 zeigt ein weiteres bekanntes Werkzeug 1‘‘, welches bei einem mechanischen Rollverfahren eingesetzt wird. Es weist eine Anzahl von Innenrollen 35, hier vier derartiger Innenrollen, und eine Anzahl von Außenrollen 37 auf, wobei hier fünf Außenrollen vorgesehen sind. Die Innenrollen 35 greifen in die Zwischenräume 38 zwischen je zwei benachbarten Außenrollen 37 ein, um einen Grünling 3 aus der durch die drei Verfahren vorgegebenen Ausgangsform, wie sie auch oben links in 1 dargestellt ist, umzuformen in einen Balg 7, der eine Anzahl von Außenkrempen 9 und Innenkrempen 11 aufweist. Die Anzahl der Außenkrempen 9 hängt ab von der Anzahl der Innenrollen 35.
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Die Innenrollen 35 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Achse 39 angeordnet, und die Außenrollen 37 auf einer gemeinsamen Achse 41.
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Die Achsen werden, wie durch Pfeile 43 und 45 angedeutet, in Rotation versetzt, während ein Grünling 3 bearbeitet wird, während dieser – in Richtung seiner Mittelachse 5 gesehen – nicht verlagert wird.
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Die beiden Achsen 39 und 41 sind in 3 in einer Position angeordnet, in welcher die Innenrollen 35 in die Zwischenräume 38 zwischen den Außenrollen 37. 3 gibt also die Funktionsstellung des Werkzeugs 1‘ wieder, in welcher der Grünling 3 zu einem Balg umgeformt ist.
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Die beiden Achsen 39 und 41 sind vor Bearbeitung des Grünlings 3 in einem solchen Abstand zueinander angeordnet, dass der Grünling 3 in seiner Ursprungsform, die er nach der Herstellung gemäß einem der drei Verfahren aufweist, zwischen die Umfangsflächen der Innenrollen 35 und Außenrollen 37 eingeführt werden kann. Es wird deutlich, dass der Grünling 3 einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Innenrollen 35. Nur so ist es möglich, dass die Innenrollen 35 in das Innere 37 des Grünlings 3 eingeführt werden können. Nach dem Einführen der Innenrollen 35 werden die Achsen 39 und 41 einander angenähert, sodass die Innenrollen 35 mit der Innenfläche 21 und die Außenrollen 37 mit der Umfangsfläche 15 des Grünlings in Eingriff treten und die Außenkrempen 9 und die Innenkrempen 11 ausgeformt werden. Um die äußeren Flanken der ersten Außenkrempe 9 beziehungsweise der letzten Außenkrempe des Grünlings 3 auszuformen, werden die äußeren Außenrollen 37/a1 und 37/a2 entsprechend den Pfeilen 47 und 49 an die Außenflanken der äußeren Außenkrempen 9 herangefahren.
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Auch bei diesem Verfahren sind die zur Umformung des Grünlings 3 zu einem Balg erforderlichen Kräfte wesentlich geringer, als dies der Fall wäre, wenn ein aus Metall bestehender Ausgangskörpers eines Balgs mittels der Innenrollen 35 und Außenrollen 37 zu einem Balg 7 umgeformt werden müsste.
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Es ist bekannt, dass durch die Umformung des Grünlings 3 zu einem Balg 7 die Wand des Grünlings 3 im Bereich der auch als Balgwellen bezeichneten Innen- und Außenkrempen eine Dickenreduzierung aufweisen kann. Um diesen auch als Verstreckung bezeichneten Effekt zu reduzieren oder vorzugsweise ganz zu vermeiden, ist es möglich, den Grünling 3 in den Bereichen, in denen später mindestens eine Innen- beziehungsweise Außenkrempe durch Umformung vorgesehen ist, mit einer größeren Wandstärke auszubilden. Dies hat zum Ergebnis, dass bei dem fertigen Balg 7 eine gleichmäßige Wanddicke auch im Bereich der Balgwellen gegeben ist.
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Der durch aus einem Grünling 3 mittels Umformung und durch Entbindern sowie Sintern hergestellte erzeugte Metall-Balg kann nachbearbeitet werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Härtung des gesamten Metall-Balgs oder auch nur von Bereichen vorzusehen, um die Schwingungseigenschaften des Metall-Balgs optimal einzustellen, und um auch den Grundkörper des Metall-Balgs an verschiedene Belastungsfälle anzupassen, beispielsweise um Rissbildung entgegenzuwirken.
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In den 1 bis 3 ist zu erkennen, dass in den Endbereichen des fertigen Metall-Balgs jeweils ein bereits beim Grünling 3 vorhandenen Ansatz 51/1 beziehungsweise 51/2 gegeben ist, der als Anschlussbereich dienen kann. Über diesen Ansatz kann der Balg 7 mit Rohransätzen, Muffen, Wandbereichen oder dergleichen verbunden werden.
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Die Ansätze 51/1 und 51/2 können bei der Herstellung des Grünlings 3, wie aus den 1 bis 3 ersichtlich, berücksichtigt werden. Möglich ist es aber auch, an einen fertigen Balg 7 derartige Ansätze beziehungsweise Anschlussbereiche anzubringen. Vorzugsweise ist vorgesehen, derartige Ansätze im Wege eines MIM-Verfahrens (metal injection molding; Metallspritzgießverfahren) oder eines generativen Verfahrens anzubringen. Bei dem letztgenannten Verfahren werden die Ansätze an den Enden des Balgs schicht- beziehungsweise schrittweise aufgebaut, beispielsweise durch 3D-Druckverfahren, durch Lasersinterverfahren oder sonstige Verfahren, die allesamt bekannt sind. Die hier vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Ansätze können auch als Flansche realisiert werden.
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Aus den Erläuterungen des Verfahrens wird deutlich, dass es auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist, einen hohlen Grünling auf drei verschiedene hier beschriebene Weisen herzustellen, der in Richtung seiner Längserstreckung gesehen keine Balgstrukturen aufweist. Eine Umformung des Grünlings 3 zu einem Balg 7 erfolgt vor dem Entbindern und Sintern des Grünlings, sodass übliche Umformverfahren auf einfache und kostengünstige Weise einsetzbar sind, weil die zur Verformung des Grünlings 3 erforderlichen Kräfte bei der Herstellung eines Balgs 7 wesentlich geringer sind, als dies bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Metall-Bälgen, bei denen Ausgangskörper aus Metall bearbeitet werden, der Fall ist.
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Nach dem Entbindern und Sintern des aus dem Grünling 3 hergestellten Balgs 7 liegt ein Metall-Balg vor, der wie übliche Metall-Bälge eingesetzt werden kann.
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Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Metall-Bälge wird also nach allem zunächst ein Spritzgussmaterial, welches mindestens ein Metall und wenigstens einen Binder umfasst, für einen Grünling 3 der hier angesprochenen Art geformt. In einem nachfolgenden Umformungsschritt wird aus dem Grünling 3 dann ein Balg 7 und schließlich der Metall-Balg hergestellt, wobei übliche Umformverfahren einsetzbar sind. Es zeigt sich hier, dass die dabei verwendeten Werkzeuge sowohl bei der hydraulischen als auch bei der mechanischen Umformung des Grünlings 3 weit weniger belastet werden, als dies bei üblichen Herstellungsverfahren der Fall ist.
