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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Gewinde und eine entsprechende Vorrichtung .
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Gewinde an Bauteilen, wie Schrauben, Gewindebolzen oder Muttern, werden herkömmlicherweise mittels Gewindewalzen oder spanender Fertigungsverfahren ausgebildet. Bei den spanenden Fertigungsverfahren kommt es jedoch einerseits zu einem Materialverlust und andererseits zu einer Verringerung der Festigkeit des Gewindes, da der Faserverlauf unterbrochen wird. Beim Gewindewalzen hingegen ist prinzipbedingt die Designfreiheit eingeschränkt.
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Die
DE 10 2010 011 711 B4 offenbart ein Verfahren zur spanlosen Herstellung von Verbindungs-, Befestigungs- oder Verschlusselementen aus Metall mit Außengewinde, durch Kaltumformung eines vorbereiteten Rohlings aus Draht- oder Stangenmaterial als Vollmaterial, wobei der Rohling in ein mehrteiliges Backenwerkzeug mit einem Formhohlraum, dessen Innenwandung mit einer als Negativ ausgebildeten Gewindeprofilierung versehen ist, eingelegt wird. Im geschlossenen Zustand des Backenwerkzeuges greift an einer der beiden Stirnseiten des Rohlings mindestens ein erster Stempel oder Werkzeug als Gegenhalter an und an der gegenüberliegenden Stirnseite wird mittels eines in axialer Richtung bewegbaren zweiten Stempels oder Dornes durch Stauchen und/oder Fließpressen Material in die Hohl- oder Zwischenräume der als Negativ ausgebildeten Gewindeprofilierung des Backenwerkzeuges gedrückt, um das Außengewinde zu erzeugen.
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Die
US 2 581 774 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Ventilschafts mit einem Gewindeabschnitt mit größerem Durchmesser aus einem Rohling mit kleinerem Durchmesser. Das Verfahren weist nachfolgende Schritte auf: Profilieren eines Endes des Rohlings; Erwärmen eines Zwischenabschnitts des Rohlings um ihn zu plastifizieren und Pressen des plastifizierten Abschnitts in die Gewindeform, wobei der Rohling mittels des daran ausgebildeten Profils an einer Rotation um seine Längsachse gehindert wird.
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Die
EP 0 889 763 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fließpressen von Produkten mit variablem Querschnitt. Das Kaltschlag-Extrusionsverfahren für hohle Metallelemente, insbesondere Patronenhülsen, umfasst folgende Schritte: Platzieren eines Rohlings in einer Matrize; Pressen des Rohlings innerhalb der Matrize zwischen einem Stempel und einem Gegenstempel, die einander zugewandt sind, wobei während der Kompressionsbewegung der Stempel mit einer ersten Geschwindigkeit in der Matrize vorwärts bewegt wird und der Gegenstempel mit einer zweiten Geschwindigkeit langsamer als der erste Stempel rückwärts bewegt wird, um den Abstand zwischen dem Schlag und dem Gegenschlag zu verringern. Während der Bewegung wird der Stanzkopf dazu gebracht, Düsenbereiche mit unterschiedlichen Abständen von den Stempelseiten zu passieren, um einen Extrusionsring mit variabler Breite zwischen Düse und Stempel zu identifizieren. Eine Extrusionseinheit zum Anwenden des Verfahrens umfasst einen Stempel und einen Gegenstempel, die einander zugewandt und in einer Düse koaxial beweglich sind, um dazwischen eine Extrusionskammer zu bestimmen, die eine variable Quergröße entlang der Stanz- und Gegenstempelbewegungsachse aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Gewinde sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, womit eine günstige Herstellbarkeit von Gewinden mit hoher Festigkeit bei hoher Designfreiheit ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Gewinde, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Matrize, aufweisend eine Matrizenausnehmung, wobei sich die Matrizenausnehmung in einer axialen Richtung durch die Matrize erstreckt und die Matrizenausnehmung einen Gewindegang zum Ausbilden des Gewindes aufweist, Einführen eines Rohlings in die Matrizenausnehmung, und Ausbilden eines Gewindes an dem Rohling mittels Fließpressen.
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Vorteilhafterweise kann durch das Verfahren auf günstige Weise und ohne Materialverlust ein Bauteil mit einem Gewinde hoher Festigkeit und Oberflächengüte hergestellt werden. Eine spanende Nachbearbeitung kann gänzlich entfallen. Des Weiteren erhöht das Verfahren die Designfreiheit, da es zum einen das Ausbilden von Gewinden mit Gewindegängen mit variabler Gewindesteigung ermöglicht, was beim Gewindewalzen prinzipbedingt nicht möglich ist. Zum anderen ermöglicht das Verfahren die Herstellung von hohlen Bauteilen mit Gewinden, was beim Gewindewalzen ebenfalls prinzipbedingt nicht möglich ist, da es beim Walzen von hohlen Bauteilen zu ungewollten Verformungen kommt. Das Gewinde kann als Außen- und/oder als Innengewinde gebildet sein. Zusätzlich zu dem Gewinde oder anstelle des Gewindes kann mit dem Verfahren auch jedwede Form einer oder mehrerer Vorsprünge, insbesondere radiale Vorsprünge, an dem Bauteil ausgebildet werden. In einem solchen Fall kann die Matrizenausnehmung alternativ oder zusätzlich zu dem Gewindegang eine Kavität zum Ausbilden der einen oder mehreren Vorsprünge aufweisen. So kann an dem Bauteil etwa eine Verdickung oder Ausbuchtung mit einer hohen Festigkeit und Oberflächengüte ausgebildet werden. Die Erläuterungen in der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Gewindegangs und des Gewindes können entsprechend für die Kavität und die Vorsprünge gelten.
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Das Bauteil, dass aus dem Rohling hergestellt wird, kann eine Schraube oder ein Gewindebolzen, also ein Bauteil mit einem Außengewinde sein. Das Bauteil kann beispielsweise auch eine Kupplung oder ein Verbindungselement für eine Fluidleitung, wie einer Gasleitung, sein. Grundsätzlich ist mittels des Verfahrens auch die Herstellung einer Mutter oder eines Bauteils mit einem Vorsprung möglich.
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Die Matrize kann auch als Formwerkzeug bezeichnet werden. Die Matrize ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, ausgebildet. Die Matrize kann mittels eines Verschließmechanismus entlang einer Symmetrieebene der Matrize öffenbar und verschließbar sein. Die Matrize kann beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch bzw. hohlzylindrisch geformt sein.
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Die Matrizenausnehmung kann entsprechend dem zu herstellenden Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Matrizenausnehmung im Wesentlichen zylindrisch sein. Die Mittelachse der Matrizenausnehmung kann mit der Mittelachse der Matrize im Wesentlichen übereinstimmen. Der Gewindegang kann in axialer Richtung zumindest in einem mittleren Abschnitt der Matrizenausnehmung ausgebildet sein. Der Abschnitt der Matrizenausnehmung, in dem der Gewindegang ausgebildet ist, kann als Gewindegangabschnitt der Matrizenausnehmung bezeichnet werden. Die Form des Gewindegangs der Matrizenausnehmung kann im Wesentlichen der Form des auszubildenden Gewindes entsprechen. Der Gewindegang kann durch eine schraubenförmige Gewindenut im Inneren der Matrizenausnehmung gebildet sein. Beim Fließpressen kann das fließfähige Material des Rohlings in die Gewindenut hinein dringen. Im Falle eines Ausbildens eines Außengewindes an dem Bauteil kann der Gewindegang an einer Innenfläche der Matrizenausnehmung ausgebildet sein. Im Falle eines Ausbildens eines Innengewindes kann die Matrizenausnehmung einen, beispielsweise im Wesentlichen stabförmigen, Innengewindeausbildungsabschnitt aufweisen, die sich entlang der Mittelachse der Matrizenausnehmung im Inneren der Matrizenausnehmung erstreckt, wobei der Gewindegang an dem Innengewindeausbildungsabschnitt ausgebildet sein kann.
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Der Rohling kann vor dem Fließpressen eine Form aufweisen, die im Wesentlichen der Form zumindest eines Abschnitts der Matrizenausnehmung entspricht. Beispielsweise kann der Rohling zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildet sein. Der Rohling kann insbesondere ein zugeschnittener Draht oder ein zugeschnittenes Stangenmaterial sein. Der Rohling kann auch stufenförmig ausgebildet sein und zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen. Beim Einführen des Rohlings in die Matrizenausnehmung kann der Rohling derart versetzt zu dem Gewindegang angeordnet werden, dass der Rohling beim Fließpressen in Richtung des Gewindegangs fließt und/oder verlagert wird. Der Rohling ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff geformt. Der Rohling kann beispielsweise aus Stahl, wie 19MnCr5, geformt sein.
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Beim Fließpressen wird insbesondere in dem Rohling ein Druck erzeugt, der den Rohling bzw. das Material des Rohlings fließfähig macht. Das Fließpressen kann ein Verfahren der Massivumformung sein. Das Fließpressen kann ohne oder auch mit Wärmezufuhr erfolgen. Bei einem kalten Umformprozess ohne Wärmezufuhr kann eine besonders hohe Oberflächengüte erzielt werden.
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Das Fließpressen umfasst: Einführen eines Stempels in die Matrizenausnehmung von einer Öffnung der Matrizenausnehmung und Einführen eines Gegenstempels in die Matrizenausnehmung von der anderen Öffnung der Matrizenausnehmung, so dass der Rohling in der Matrizenausnehmung zwischen dem Stempel und dem Gegenstempel angeordnet ist, und Aufbringen eines Umformdrucks in dem Rohling mittels des Stempels und/oder des Gegenstempels.
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Der Stempel und der Gegenstempel können Teil einer Pressvorrichtung bzw. Fließpressvorrichtung sein und können entsprechend der Form der Matrizenausnehmung, insbesondere im Bereich der Öffnung und im Einführabschnitt der Stempel in der Matrizenausnehmung, ausgebildet sein, so dass kein Material des Rohlings beim Fließpressen aus der Matrizenausnehmung treten kann. Beispielsweise sind der Stempel und der Gegenstempel im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Im Falle eines Ausbildens eines Innengewindes kann der Stempel und/oder Gegenstempel hohlzylindrisch oder ringförmig ausgebildet sein, wobei der Innengewindeausbildungsabschnitt der Matrizenausnehmung durch den Hohlraum des Stempels und/oder Gegenstempels führbar ist. Beide Stempel können relativ zueinander und/oder relativ zu der Matrize verfahrbar sein. Die Stempel bzw. die Fließpressvorrichtung sind derart konfiguriert, dass sie den Umformdruck in dem Rohling aufbringen können. Der Umformdruck ist ein Druck, bei dem die Fließgrenze des Materials des Rohlings überschritten wird. Der Umformdruck kann je nach Material des Rohlings unterschiedlich sein. Der Umformdruck kann auch während des Fließpressens veränderlich sein. Der optimale Umformdruck bzw. die optimalen Verfahrenswege und/oder -geschwindingkeiten der Stempel können beispielsweise durch Testläufe ermittelt werden. Ein „Verfahren“ der Stempel kann im Sinne der vorliegenden Beschreibung auch als „Bewegen“ oder „Verlagern“ der Stempel verstanden werden.
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Der Rohling kann zunächst in der Matrizenausnehmung im Wesentlichen kraftfrei bzw. nur mit geringer Kraft zwischen dem Stempel und dem Gegenstempel, die jeweils durch eine der Öffnungen an den axialen Enden der Matrize in die Matrizenausnehmung eingeführt werden, angeordnet bzw. eingeklemmt werden. Dann kann der Stempel oder der Gegenstempel in Richtung des anderen Stempels verfahren werden, wodurch der Umformdruck in dem Rohling aufgebracht bzw. erzeugt wird, und das Material des Rohlings zu fließen beginnt, so dass das Material des Rohlings entsprechend der Bewegungen des Stempels und/oder des Gegenstempels in den Gewindegang der Matrizenausnehmung fließen kann. Hierbei können beide Stempel in die selbe Richtung bewegt werden, wobei die Geschwindigkeit und/oder die Kraft des in Bewegungsrichtung vorderen Stempels niedriger ist als die Geschwindigkeit und/oder Kraft des in Bewegungsrichtung hinteren Stempels. Insbesondere verringert sich der Abstand zwischen dem Stempel und dem Gegenstempel während dem Fließpressen.
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Das Fließpressen umfasst weiter: Verlagern des Rohlings in der axialen Richtung entlang des Gewindegangs, während der Umformdruck aufgebracht wird, mittels des Stempels und des Gegenstempels.
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Vorteilhafterweise kann durch das Verlagern des Rohlings in der axialen Richtung entlang des Gewindegangs das Material des Rohlings entlang des Gewindegangs fließen, wodurch unter anderem ein Gewinde mit hoher Festigkeit und hoher Oberflächengüte hergestellt werden kann.
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Der Rohling kann insbesondere zunächst in der Matrizenausnehmung zwischen den Stempeln in einer Position angeordnet bzw. eingeklemmt werden, die zum Gewindegang der Matrizenausnehmung axial verlagert ist. Dann kann der Umformdruck durch den Stempel und/oder den Gegenstempel in dem Rohling aufgebracht werden, und sowohl der Stempel als auch der Gegenstempel in dieselbe Verfahrensrichtung verfahren bzw. bewegt werden, so dass der Rohling in den Gewindegangabschnitt der Matrizenausnehmung hineinbewegt wird. Hierbei kann das Material des Rohlings nach und nach entlang des Gewindegangs fließen, wodurch nach und nach das Gewinde ausgebildet werden kann. Die Verfahrensgeschwindigkeiten des Stempels und des Gegenstempels können hierbei unterschiedlich sein. Insbesondere kann der in Verfahrensrichtung vordere Stempel (beispielsweise der Gegenstempel) während des Fließpressens mit einer niedrigeren Verfahrensgeschwindigkeit und/oder Kraft verfahren werden als der in Verfahrensrichtung hintere Stempel (beispielsweise der Stempel). Dadurch kann das Ausformen des Rohlings, insbesondere das Einformen des Materials des Rohlings in den Gewindegang hinein, durch den in Verfahrensrichtung vorderen, langsameren Stempel (beispielsweise durch den Gegenstempel) erfolgen.
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Der Gewindegang kann eine variable Gewindesteigung aufweisen.
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Vorteilhafterweise können hierdurch Gewinde mit variablen Gewindesteigungen bei gleichzeitig hoher Festigkeit hergestellt werden, was mittels herkömmlichem Gewindewalzen oder spanenden Herstellungsverfahren nicht ohne hohe Kosten möglich ist. Gewinde mit variablen Gewindesteigungen können eine homogenere Lastverteilung im eingeschraubten Zustand einer Schraubverbindung und somit eine höhere Verbindungsfestigkeit ermöglichen. Die Gewindesteigung des Gewindegangs der Matrizenausnehmung kann beispielsweise in axialer Richtung zunehmen oder abnehmen. Alternativ oder zusätzlich zum Gewindegang mit variabler Gewindesteigung kann die Matrizenausnehmung ungleichmäßig angeordnete Kavitäten aufweisen.
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Der Stempel und/oder der Gegenstempel kann einen sich axial erstreckenden Hohlraumausbildungsdorn aufweisen, so dass beim Fließpressen ein Hohlraum im Inneren des Rohlings ausgebildet wird.
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Vorteilhafterweise kann ein derart gebildetes Bauteil ein reduziertes Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen mit Gewinde aufweisen. Der Hohlraum im Bauteil ermöglicht eine Gewichtsreduzierung, obwohl das Bauteil eine zumindest vergleichbare oder sogar höhere Festigkeit als die herkömmlichen Bauteilen aufweisen kann. Dies wird durch das Umformverfahren ermöglicht, bei dem der Rohling zum Herstellen des Gewindes derart umgeformt wird, dass ein Faserverlauf des Werkstoffs des Rohlings nicht unterbrochen wird. Ferner können in den Hohlraum zur Überwachung der Belastung des Bauteils bzw. zur Überwachung von Vorrichtungen und/oder Verfahren, in dem das Bauteil zum Einsatz kommt, auch Sensoren eingebracht werden (z.B. DMS). Unter dem Begriff „Faserverlauf“ kann, im Rahmen dieser Beschreibung, insbesondere die molekularen Kettenstruktur bei Metallen gemeint sein. Das Bauteil kann folglich mit großer Festigkeit gebildet sein, obwohl es zumindest abschnittsweise hohl ist.
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Zum Bilden des Hohlraums kann im Wesentlichen der ganze Stempel und/oder der ganze Gegenstempel als Hohlraumausbildungsdorn gebildet sein. Alternativ hierzu kann von dem Stempel und/oder dem Gegenstempel der Hohlraumausbildungsdorn von einem Basisabschnitt des Stempels und/oder des Gegenstempels hervorstehen. Der Stempel und/oder der Gegenstempel kann an dem Basisabschnitt einen größeren Durchmesser aufweisen, als der Durchmesser des Hohlraumausbildungsdorns. Der Hohlraumausbildungsdorn kann beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch gebildet sein, aufweisend einen reduzierten Durchmesser gegenüber dem Rest des Stempels und/oder des Gegenstempels. Die Spitze des Hohlraumausbildungsdorns kann abgerundet oder flächig ausgebildet sein. Die Spitze des Hohlraumausbildungsdorns kann jedoch auch eine andere geeignete Form aufweisen.
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Zum Bilden des Hohlraums im Inneren des Rohlings dringt der Hohlraumausbildungsdorn in einen Bereich des Rohlings ein. Dabei kann der Stempel und/oder der Gegenstempel derart gebildet sein, dass das fließfähige Material des Rohlings nur in Bewegungsrichtung des Stempels und/oder des Gegenstempels fließen kann.
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Der Rohling kann bereits vor dem Fließpressen mit einem Hohlraum bereitgestellt werden, wobei beim bzw. vor dem Fließpressen der Hohlraumausbildungsdorn in diesen Hohlraum eingeführt und/oder eingepresst werden kann. Der bereits vorgesehen Hohlraum im Rohling kann entsprechend der Form des Hohlraumausbildungsdorns ausgebildet sein. Dadurch kann eine Last, die nur auf den Hohlraumausbildungsdorn wirkt, gering gehalten werden.
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Die Matrize kann zumindest zweiteilig ausgebildet sein und kann in einer radialen Richtung geöffnet werden, um das Bauteil zu entnehmen.
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Vorteilhafterweise kann dadurch das fertig geformte Bauteil einfach aus der Matrize entnommen werden. Dies ermöglicht einen zeitsparenden und somit kostengünstigen Herstellungsprozess. Die Matrize kann auch drei oder mehr Teile aufweisen.
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Die Matrize kann dazu entlang einer Symmetrieebene der Matrize öffenbar und/oder verschließbar sein. Diese Symmetrieebene kann die Mittelachse der Matrizenausnehmung enthalten. Zum Öffnen und/oder Verschließen der Matrize kann an der Matrize ein Verschließmechanismus vorgesehen sein. Der Verschließmechanismus kann derart gebildet sein, dass er den hohen Innendrücken der Matrize während des Umformverfahrens standhalten kann.
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Insbesondere kann der Verschließmechanismus mittels eines oder mehrerer Ringe gebildet werden, die nach dem zusammensetzen der Matrize um die Matrize gelegt werden. Der Innendurchmesser eines solchen Rings kann kleiner als der Außendurchmesser der Matrize gebildet sein, so dass ein Übermaß der Matrize vorliegt. Der Ring kann mittels Presspassens an der Matrize angeordnet werden. Zu Beginn des Herstellverfahrens kann folglich ein Anpressdruck auf die Matrize wirken. Insbesondere kann die Übermaßpassung derart bemessen sein, dass zu keinem Zeitpunkt des Verfahrens ein zu hoher Innendruck auf die Matrize wirkt. Durch kann die Langlebigkeit der Matrize gesteigert werden. Grundsätzlich ist das Verfahren jedoch nicht auf diese Ausführungsform des Verschließmechanismus beschränkt und es können auch andere Verschließmechanismen Anwendung finden, wie beispielsweise hydraulische Verschließmechanismen.
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Falle eines Ausbildens eines Innengewindes kann die Matrize alternativ oder zusätzlich so konfiguriert sein, dass der Innengewindeausbildungsabschnitt nach dem Ausbilden des Innengewindes aus dem Innengewinde des Bauteils herausgeschraubt werden kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mit einem Gewinde, umfassend: eine Matrize, aufweisend eine Matrizenausnehmung, wobei sich die Matrizenausnehmung in einer axialen Richtung durch die Matrize erstreckt, die Matrizenausnehmung einen Gewindegang zum Ausbilden des Gewindes aufweist und ein Rohling in die Matrizenausnehmung einführbar ist, einen Stempel, der in die Matrizenausnehmung von einer Öffnung der Matrizenausnehmung einführbar ist, und einen Gegenstempel, der in die Matrizenausnehmung von der anderen Öffnung der Matrizenausnehmung einführbar ist, wobei mittels des Stempels und/oder des Gegenstempels ein Umformdruck in dem Rohling aufbringbar ist, so dass das Gewinde an dem Rohling mittels Fließpressen ausbildbar ist.
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Das vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren Beschriebene gilt entsprechend auch für die Vorrichtung.
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Ein weiterer Gegenstand der Anmeldung betrifft ein Bauteil mit einem Gewinde, wobei das Gewinde mittels Fließpressen ausgebildet ist.
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Das vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren und der Vorrichtung Beschriebene gilt entsprechend auch für das Bauteil. Ist das Bauteil mit einem Hohlraum gebildet, kann in den Hohlraum ein oder mehrere Sensoren zur Überwachung des Bauteils eingebracht werden. Hierzu kommen insbesondere DMS Sensoren (Dehnungsmesstreifen bzw. Dehnungssensoren) in Betracht, mittels denen dehnende und stauchende Verformungen erfasst werden können.
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Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, und dass einzelne Merkmale der Ausführungsformen im Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden können. Es zeigen:
- 1a, 1b eine axiale Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils;
- 2a, 2b eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils, aufweisend einen Hohlraumausbildungsdorn;
- 3a, 3b eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils, aufweisend einen Hohlraumausbildungsdorn;
- 4a bis 4d eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils zu unterschiedlichen Zeitpunktes des Herstellungsverfahrens;
- 5a bis 5f eine Detailansicht eines axiale Schnittes einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils zu unterschiedlichen Zeitpunktes des Herstellungsverfahrens;
- 6 ein Diagram, welches die aufgebrachte Kraft in Abhängigkeit vom Stempelweg während des Umformverfahrens darstellt;
- 7a, 7b eine axiale Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils, aufweisend einen Innengewindeausbildungsabschnitt;
- 8a, 8b eine axiale Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils.
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1a zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Herstellen des Bauteils zu Beginn des Herstellungsverfahrens. Die Vorrichtung 10 weist eine Matrize 12 auf, welche mit einer vorliegend mittig angeordnete Matrizenausnehmung 14 gebildet ist.
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Die Matrize 12 kann zylindrisch gebildet sein. Die Matrize 12 kann aus mehreren Teilstücken, insbesondere zwei Hälften gebildet sein, die mittels eines Verschließmechanismus (nicht dargestellt) zusammengehalten werden. Der Verschließmechanismus kann etwa ein Ring sein, welcher mittels einer Presspassung um die Matrize gelegt wird. Die Matrizenausnehmung 14 kann die Matrize 12 in einer axialen Richtung durchdringen. Die Matrizenausnehmung 14 kann im wesentlichen zylindrisch gebildet sein. Die Matrize 12 kann im Bereich der der Matrizenausnehmung 14 einen Gewindegangabschnitt 16 aufweisen. Der Gewindegangabschnitt 16 kann einen schraubenförmigen Gewindegang 18 und eine schraubenförmige Gewindenut 20 umfassen. Der Gewindegang 18 kann mit einer variablen Gewindesteigung gebildet sein. Die Gewindesteigung kann entlang der axialen Richtung insbesondere zu- oder abnehmend gebildet sein.
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Zu Beginn des Verfahrens wird ein Rohling 22 von einer Seite in die Matrizenausnehmung 14 der Matrize 12 eingeführt. An den beiden gegenüberliegenden Seiten der Matrizenausnehmung 14 in axialer Richtung ist jeweils ein Stempel angeordnet, nämlich ein Stempel 24 und ein Gegenstempel 26. Die beiden Stempel werden derart in die Matrizenausnehmung 14 eingeführt, dass der Rohling 22 zwischen dem Stempel 24 und dem Gegenstempel 26 angeordnet bzw. gehalten ist.
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Zum Durchführen des Verfahrens wird nun mittels des Stempels 24 und/oder des Gegenstempels 26 ein Umformdruck auf den Rohling 22 gebracht. Das Aufbringen dieses Umformdrucks erfolgt mittels eines Verkürzens des Abstands zwischen Stempel 24 und Gegenstempel 26, bis das Material des Rohlings 22 fließfähig wird. Schließlich wird der Rohling 22 in der axialen Richtung in Richtung des Gewindegangabschnitts 16 verlagert, wobei der Umformdruck aufrechterhalten bleibt. Die Bewegungsrichtung des Rohlings 22 beim Verlagern kann als Verfahrensrichtung bezeichnet werden und wird durch die Pfeile 28 gezeigt. Die Verfahrensrichtung 28 kann insbesondere der axialen Richtung und/oder der Bewegungsrichtung des Stempels 24 und des Gegenstempels 26 während des Umformverfahrens bzw. des Fließpressens entsprechen. Der Stempel 24 und/oder der Gegenstempel 26 können hydraulisch verfahren werden.
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Die Geschwindigkeit des Stempels 24 während des Umformverfahrens in der Verfahrensrichtung 28 kann sich von der Geschwindigkeit des Gegenstempels 26 in der Verfahrensrichtung 28 unterscheiden. So kann der in Verfahrensrichtung 28 vordere Gegenstempel 26 mit einer geringeren Geschwindigkeit als der in Verfahrensrichtung 28 hintere Stempel 24 bewegt bzw. verfahren werden. Dadurch kann der Umformdruck auf den Rohling 22 während des Verlagerns exakt und variabel eingestellt werden, und das Material der Rohlings 22 kann insbesondere in die Gewindenut 20 fließen. Die Geschwindigkeit des Gegenstempels kann dabei zwischen etwa 40% und etwa 80%, bevorzugt zwischen etwa 50% und etwa 70%, besonders bevorzugt zwischen etwa 55% und etwa 65% der Geschwindigkeit des Stempels betragen. Es ist ebenfalls denkbar, den Stempel 24 mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen, und den Gegenstempel 26 über die Kraft zu regeln, insbesondere so, dass der Gegenstempel kontinuierlich mit einer im Wesentlichen gleich bleibenden Kraft dagegen hält. Der Stempel 24 kann mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 mm/s bis etwa 15 mm/s bewegt werden. Es sind jedoch auch deutlich höhere Geschwindigkeiten der Stempel denkbar. Beispielhaft kann der Stempel 24 mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/s bewegt werden, während der Gegenstempel 26 lediglich mit einer Geschwindigkeit von etwa 5,6 mm/s bewegt wird. Dadurch kann das Ausformen des Rohlings 22 durch den in Verfahrensrichtung vorderen, langsameren Gegenstempel 26 erfolgen. Das kann bedeuten, dass das fließfähige Material des Rohlings 22 von dem Gegenstempel 26 in die Gewindenut 20 gepresst wird und nicht etwa von dem Stempel 24 oder der Matrize 12.
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Beim Erreichen der Gewindenut 20 beginnt sich der Rohling 22 in lateraler Richtung umzuformen, wodurch die Gewindenut 20 vom fließfähigen Material des Rohlings 22 aufgefüllt wird. Unter der „lateralen“ Richtung kann eine Richtung orthogonal zur Verfahrensrichtung 28, insbesondere eine radiale Richtung, gemeint sein. Der Faserverlauf des Materials des Rohlings 22 wird während des Umformens nicht unterbrochen, wie es z.B. bei einem spanenden Verfahren der Fall ist, sondern sich entlang des Gewindegangs 18 bzw. entlang der Gewindenut 20 ausrichten. Dadurch kann eine hohe Festigkeit und Oberflächengüte erreicht werden. Eine Nachbearbeitung des Bauteils ist daher nicht notwendig. Das Verfahren kann insbesondere ein Kaltmassivumformverfahren sein.
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Es ist denkbar, dass der in Verfahrensrichtung 28 vordere Stempel (beispielsweise der Gegenstempel 26) hohl gebildet ist, so dass ein simultaner Voll-Vorwärts-Hohl-Vorwärts-Fliessverfahren durchgeführt wird.
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1b zeigt die Vorrichtung 10 am Ende des Fließpressens. Der ursprüngliche Rohling 22 ist durch Verlagern entlang des Gewindegangabschnitts 16 mit einem umlaufendem Außengewinde 30 gebildet und kann durch Öffnen der Matrize als fertiges Bauteil entnommen werden.
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Die 2a und 2b zeigen den Anfang und das Ende eines Fließpressvorgangs, wobei an einem Basisabschnitt 36 des Stempels 24 ein Hohlraumausbildungsdorn 32 ausgebildet ist. Der Hohlraumausbildungsdorn 32 kann zylindrisch gebildet sein. Der Hohlraumausbildungsdorn 32 kann einen geringeren Durchmesser aufweisen als der Basisabschnitt 36 des Stempels 24. Der Hohlraumausbildungsdorn 32 erstreckt sich in der axialen Richtung bzw. der Verfahrensrichtung 28. Beim Einführen des Stempels 24 und des Gegenstempels 26 in die Matrizenausnehmung 14 wird der Hohlraumausbildungsdorn 32 in den Rohling 22 gepresst bis der Stempel 24 an dem Rohling 24 anliegt, wodurch ein Hohlraum 34 in dem Rohling 22 gebildet ist. Der Hohlraum 34 erstreckt sich in der Verfahrensrichtung 28 bzw. in der axialen Richtung in den Rohling 22.
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Schließlich wird der Rohling 22 in der Verfahrensrichtung 28 entlang des des Gewindegangs 18 bzw. des Gewindegangabschnitts 16 verlagert, bis das umlaufende Außengewinde 30 gebildet ist. Am Ende des Verfahrens kann das Bauteil aus der Matrize 12 entnommen werden. Der Hohlraum 34 kann sich am Ende des Verfahrens durch das gesamte Bauteil oder auch nur einen Abschnitt davon erstrecken.
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3a und 3b zeigen den Anfang und das Ende des eines Fließpressvorgangs, wobei der Hohlraumausbildungsdorn 32 an dem Basisabschnitt 36 des Gegenstempels 26 ausgebildet ist.
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4a zeigt einen stufenförmigen Rohling 22 zu Beginn eines Fließpressvorgangs. Der Rohling 22 kann zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen. Beim Einführen des Rohlings 22 in die Matrizenausnehmung 14 kann der Rohling derart versetzt zu dem Gewindegang 18 angeordnet werden, dass der Rohling 22 beim Fließpressen in Richtung des Gewindegangs 18 fließt und/oder verlagert wird.
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Die 4b und 4c zeigen weitere Zeitpunkte des Fließpressvorgangs aus 4a, bei denen der Rohling 22 mittels des Umformdrucks in die Verfahrensrichtung 28 und lateral dazu in die Gewindenut 20 umgeformt wird. Das Formen des Bauteils, insbesondere das Formen des Gewindes erfolgt sukzessive. Dabei wird der Faserverlauf des Werkstoffs des Rohlings 22 nicht unterbrochen, wodurch eine hohe Festigkeit und Oberflächengüte erreicht wird. Die Begriffe „Werkstoff“ und „Material“ können im Rahmen dieser Beschreibung als Synonym verwendet sein.
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Die 4d zeigt das fertige Bauteil mit daran ausgebildetem Außengewinde 30, im vorliegenden Fall eine Hohlschraube. Das Bauteil ist noch in der Matrize 12 eingespannt und kann beispielhaft durch Öffnen der mehrteiligen Matrize 12 entnommen werden. Es können weitere Arbeitsschritte folgen, wie das Ausbilden des Schraubenkopfes usw.
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Die 5a bis 5f zeigen im Detail den Umformprozess an dem Grenzbereich von Rohling 22 zu Gewindegangabschnitt 16. Der Rohling 22 wird nach und nach in die Gewindenut 20 geformt. Insbesondere fließt das Material des Rohlings während des Fließpressvorgangs nach und nach entlang der Innenfläche des Gewindegangs 18 bzw. der Gewindenut 20, wobei die Fließrichtung des Materials eine Komponente in axialer Richtung beinhaltet. Grundsätzlich können auch andere Geometrien, wie etwa Vorsprünge und/oder Ausbauchungen, am Rohling ausgebildet werden.
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6 zeigt beispielhaft ein Diagramm der aufgebrachten Kraft in Abhängigkeit vom Stempelweg während des Umformverfahrens. Die Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils mit Gewinde ist konfiguriert, um die nötigen Stempelkräfte von über etwa 50 Tonnen bzw. über etwa 500 kN aufbringen zu können.
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7 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform bei der die Matrize 12 bzw. die Matrizenausnehmung 14 einen Innengewindeausbildungsabschnitt 38 aufweist. Der Innengewindeausbildungsabschnitt 38 kann im Wesentlichen stabförmig gebildet sein. Der Innengewindeausbildungsabschnitt 38 kann einen Gewindegang 18 aufweisen mittels dem an dem Rohling 22 ein Innengewinde 42 ausgebildet werden kann. Dazu kann der Gegenstempel 26 hohlzylindrisch bzw. ringförmig gebildet sein und der Innengewindeausbildungsabschnitt 38 kann den Gegenstempel 26 während des Verfahrens durchragen. Nach dem Ausbilden des Bauteils mit Innengewinde 42 kann der Innengewindeausbildungsabschnitt 38 aus dem Innengewinde 42 herausgeschraubt werden. Insbesondere kann der Innengewindeausbildungsabschnitt 38 von dem Rest der Matrize 12 trennbar sein, und die Vorrichtung zur Herstellung des Bauteils kann einen entsprechenden Mechanismus zum Herausschrauben des Innengewindeausbildungsabschnitts 38 aufweisen.
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8 zeigt eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 10, wobei die Matrize 12 bzw. die Matrizenausnehmung 14 zum Ausbilden von Vorsprüngen bzw. Ausbauchungen an dem Rohling 22 anstelle eines Gewindegangs eine Kavität 44 aufweist. Der Ablauf des Verfahrens erfolgt analog der Beschreibung zum Ausbilden eines Gewindes an dem Bauteil.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils
- 12
- Matrize
- 14
- Matrizenausnehmung
- 16
- Gewindegangabschnitt
- 18
- Gewindegang
- 20
- Gewindenut
- 22
- Rohling
- 24
- Stempel
- 26
- Gegenstempel
- 28
- Pfeil, Verfahrensrichtung
- 30
- Außengewinde
- 32
- Hohlraumausbildungsdorn
- 34
- Hohlraum
- 36
- Basisabschnitt
- 38
- Innengewindeausbildungsabschnitt
- 42
- Innengewinde
- 44
- Kavität
