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Die Erfindung betrifft ein modulares Umformwerkzeug und einen modularen Umformwerkzeugsatz, insbesondere zum Herstellen von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teilen, wie z.B. Bolzen, insbesondere auch Exzenterbolzen, oder Schrauben.
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Umformwerkzeugsätze sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt, diese dienen dazu, einen Werkstückrohling durch, insbesondere mehrstufige, plastische Verformung in eine definierte Umformgeometrie - durch eine meist spannlose Bearbeitung - zu überführen. Hierzu wird ein Werkstückrohling zwischen einen Stempel und eine Matrize des Umformwerkzeugsatzes eingebracht, wobei durch die Relativbewegung des Stempels zur Matrize der Werkstückrohling gezielt umgeformt wird. Um diese Umformung zu erreichen, weist der Stempel und/oder die Matrize einen Kern auf, wobei der Kern unmittelbar mit dem Werkstück kontaktiert, um so die Umformung des Werkstücks zu bewirken. Die bei der Umformung auftretenden Kräfte sind dabei meist sehr hoch, insbesondere beim Kaltumformen. Um ein Verlagern des Kerns bzw. der Kerne zu verhindern, weisen die Umformwerkzeuge des Umformwerkzeugsatzes meist Positionierhilfen auf, welche die Kerne oder den Kern in Richtung der Relativbewegung - zwischen der Matrize und dem Stempel - kraftschlüssig dazu abstützen. Durch die Vielzahl von beteiligten Bauteilen und durch die Individualität der Werkzeuge je einzelnem Produkt ist bei den bekannten Umformwerkzeugen die Dimensionierung und Gestaltung der Umformwerkzeuge sehr umfangreich und kostenintensiv.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kostenaufwand bei der Konstruktion und Wartung von Umformwerkzeugen zu reduzieren und gleichzeitig eine sichere Fertigung von Werkstücken zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug gemäß Anspruch 1, mit einem modularen Umformwerkzeugsatz gemäß Anspruch 10 und durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein modulares Umformwerkzeug, insbesondere ein Presswerkzeug, bevorzugt zur Herstellung von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teilen, zumindest ein Primärwerkzeug, insbesondere einen Kern, zumindest ein Armierungsrohr und zumindest ein Hilfswerkzeug, wobei sich das Umformwerkzeug entlang einer Längserstreckungsrichtung erstreckt, wobei das Primärwerkzeug eine Werkstückbearbeitungsfläche, eine Mantelfläche und zwei Stirnflächen aufweist, wobei die Werkstückbearbeitungsfläche mit einem Werkstück kontaktiert oder dazu ausgelegt ist, mit einem Werkstück zu kontaktieren, wobei die Mantelfläche das Primärwerkzeug in eine Radialrichtung begrenzt, wobei die Stirnflächen das Primärwerkzeug in die Längserstreckungsrichtung begrenzen, wobei das Armierungsrohr eine Innenmantelfläche und eine Außenmantelfläche aufweist, wobei das Primärwerkzeug mittel und/oder unmittelbar über die Mantelflächen in das Armierungsrohr eingepresst ist, sodass das Primärwerkzeug gegenüber dem Armierungsrohr in Radialrichtung gesichert ist, wobei die Innenmantelfläche und die Außenmantelfläche jeweils eine Presspassung aufweisen, wobei das Hilfswerkzeug in die Längserstreckungsrichtung durch Deckflächen begrenzt ist, wobei das Hilfswerkzeug in Radialrichtung nach außen durch eine Umlauffläche begrenzt ist, und wobei die Umlauffläche in Radialrichtung eine Spielpassung aufweist. Das modulare Umformwerkzeug ist dabei insbesondere ein Presswerkzeug, wobei das modulare Umformwerkzeug dazu dient, in einem Umformfertigungsschritt bzw. in einem Umformfertigungsverfahren eingesetzt zu werden. Bevorzugt dient das modulare Umformwerkzeug zur Herstellung von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teilen, wie beispielsweise Bolzen oder Schrauben. Diese im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teile sind insbesondere solche Teile, die bevorzugt zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch um eine Achse ausgebildet sind, wobei diese Teile jedoch spiralartige Außenkonturen, wie beispielsweise ein Gewinde, oder Werkzeugangriffskonturen aufweisen können, welche die perfekte Rotationssymmetrie dieser Teile zerstören bzw. durchbrechen dürfen. Beispielsweise sind dabei unter anderem Bolzen, Exzenterbolzen oder Schrauben im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teile im Sinne der Erfindung. In anderen Worten kann das modulare Umformwerkzeug dazu dienen, ein Werkstück derart umzuformen, dass ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Teil wie beispielsweise ein Bolzen oder eine Schraube geschaffen werden. Das modulare Umformwerkzeug besteht aus mehreren unterschiedlichen Modulen, wobei das modulare Umformwerkzeug zumindest ein Primärwerkzeug, zumindest ein Armierungsrohr und zumindest ein Hilfswerkzeug umfasst. Das modulare Umformwerkzeug erstreckt sich dabei entlang einer Längserstreckungsrichtung. Die Längserstreckungsrichtung des Umformwerkzeugs ist insbesondere diejenige Richtung, in welche sich die Länge des modularen Umformwerkzeugs bestimmt und/oder um welche das Umformwerkzeug herum aufgebaut ist. In anderen Worten kann/können das Umformwerkzeug und/oder die Armierungsrohre und/oder die Hilfswerkzeuge und/oder die Primärwerkzeuge in einem zusammengebauten Zustand derart angeordnet sein, dass diese die Längserstreckungsrichtung umgeben bzw. umschließen. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Längserstreckungsrichtung auch diejenige Richtung sein, in welche sich das Werkstück hauptsächlich erstreckt und/oder in welche sich das Umformwerkzeug bei der Umformung des Werkstücks bewegt. Das Primärwerkzeug des modularen Umformwerkzeugs dient dazu, mit der Werkstückbearbeitungsfläche des Primärwerkzeugs mit einem Werkstück derart zu kontaktieren, dass das Werkstück durch diesen Kontakt umgeformt wird. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Werkstückbearbeitungsfläche diejenige Fläche des Primärwerkzeugs ist, welche zum Umformen des Werkstücks mit dem selbigen kontaktiert bzw. kontaktieren kann. Insbesondere ist das Primärwerkzeug als ein Kern ausgebildet, vorzugsweise aus Hartmetall. Unter einem Kern kann dabei in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass das Primärwerkzeug insbesondere derart beschaffen ist, dass dieses in Radialrichtung gesehen zumindest teilweise einen inneren Kern des modularen Umformwerkzeugs ausbildet, der jedoch bevorzugt hohl (z. B. röhrenförmig) ausgebildet ist. Insbesondere ist daher das Primärwerkzeug derart ausgebildet, dass die Werkstückbearbeitungsflächen und/oder die Werkstückbearbeitungsfläche des Primärwerkzeugs das Primärwerkzeug in Radialrichtung nach innen begrenzen bzw. begrenzt. Neben der Werkstückbearbeitungsfläche weist das Primärwerkzeug auch noch eine Mantelfläche und zwei Stirnflächen auf. Die Mantelfläche begrenzt das Primärwerkzeug in die Radialrichtung, insbesondere nach außen. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Mantelfläche den in Radialrichtung nach außen weisenden Teil des jeweiligen Primärwerkzeugs ausbildet. Die Radialrichtung erstreckt sich dabei senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Radialrichtung radial von der Längserstreckungsrichtung weg weist. Die Mantelfläche des Primärwerkzeugs ist insbesondere zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der bzw. um die Längserstreckungsrichtung ausgebildet. Unter zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist dabei in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Mantelfläche vornehmlich durch eine Zylinderfläche um die Längserstreckungsrichtung gebildet ist. Hierbei können jedoch Ausnehmungen oder Bohrungen in der Mantelfläche eingelassen bzw. eingebracht sein, welche eine geringfügige Abweichung von der idealen Rotationssymmetrie darstellen, wobei bei dieser geringen Abweichung weiterhin eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausgestaltung um die Längserstreckungsrichtung der Mantelfläche gegeben sein soll. In Längserstreckungsrichtung ist das Primärwerkzeug durch die Stirnflächen begrenzt. Die Stirnflächen sind dabei insbesondere derart beschaffen, dass diese eine Normale aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung ist. In anderen Worten sind die Stirnflächen des Primärwerkzeugs im Wesentlichen eben ausgebildet, wobei diese Ebene, in welcher die jeweilige Stirnfläche liegt, eine Normale aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung ist. Im Wesentlichen parallel im Sinne der Erfindung sind zwei Richtungen insbesondere dann, wenn der eingeschlossene Winkel zwischen diesen beiden Richtungen maximal 1° bevorzugt maximal 0,5° und besonders stark bevorzugt maximal 0,1° beträgt. Besonders bevorzugt weist das modulare Umformwerkzeug eine Vielzahl von Primärwerkzeugen auf, insbesondere 2, 3 oder 4 Primärwerkzeuge, welche vorteilhafterweise sämtlich die vorbeschriebenen Merkmale aufweisen können. Vorteilhafterweise sind diese Primärwerkzeuge dabei derart innerhalb des modularen Umformwerkzeugs ausgebildet bzw. angeordnet, dass diese jeweils eine Stirnfläche aufweisen, welche unmittelbar eine Stirnfläche eines weiteren Primärwerkzeugs kontaktiert. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Primärwerkzeuge derart in Längserstreckungsrichtung nebeneinander bzw. hintereinander angeordnet sein können, sodass diese unmittelbar miteinander kontaktieren. Hierdurch kann ein besonders kompaktes modulares Umformwerkzeug erreicht werden. Vorteilhafterweise bildet dabei jedes dieser Primärwerkzeuge einen Teil eines Kerns des modularen Umformwerkzeugs aus. Neben dem Primärwerkzeug umfasst das modulare Umformwerkzeug auch noch zumindest ein Armierungsrohr. Das Armierungsrohr verfügt über eine Innenmantelfläche und eine Außenmantelfläche. Die Innenmantelfläche begrenzt dabei das Armierungsrohr nach innen in Radialrichtung und die Außenmantelfläche begrenzt das Armierungsrohr nach außen in Radialrichtung. Zweckmäßigerweise ist/sind die Innenmantelfläche und/oder die Außenmantelfläche des Armierungsrohrs, bevorzugt aller Armierungsrohre, zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der bzw. um die Längserstreckungsrichtung ausgebildet. Vorteilhafterweise sind sowohl die Innenmantelfläche als auch die Außenmantelfläche zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längserstreckungsrichtung ausgebildet. Durch diese im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausbildung der Innenmantelfläche und/oder der Außenmantelfläche des Armierungsrohrs oder aller Armierungsrohre des Umformwerkzeugs kann erreicht werden, dass eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit des Armierungsrohrs resultiert und dass die Armierungsrohre besonders kostengünstig hergestellt werden können. Das Primärwerkzeug, insbesondere alle Primärwerkzeuge, sind dabei über die Mantelfläche des jeweiligen Primärwerkzeugs in ein Armierungsrohr eingepresst. Hierzu bildet die Mantelfläche des Primärwerkzeugs eine Presspassung mit einer inneren Mantelfläche zumindest eines Armierungsrohrs aus. Durch diese Presspassung zwischen der Innenmantelfläche des Armierungsrohrs und der Mantelfläche des Primärwerkzeugs wird eine Verlagerung des Primärwerkzeugs in Radialrichtung formschlüssig und in Längserstreckungsrichtung kraftschlüssig (Presspassung) gegenüber dem Armierungsrohr ver- bzw. behindert. Vorteilhafterweise ist dabei jedes Primärwerkzeug auf diese Art in ein Armierungsrohr eingepresst. Unter einer Presspassung ist dabei zu verstehen, dass zwischen den beiden kontaktierenden Flächen der Bauteile eine Übermaßpassung besteht. Durch die Presspassung wird jeweils ein Verlagern zwischen dem jeweiligen Primärwerkzeug und dem Armierungsrohr verhindert. Die Innenmantelfläche und die Außenmantelfläche der Armierungsrohre bzw. des Armierungsrohrs des modularen Umformwerkzeugs sind dabei in einem zusammengebauten bzw. eingebauten bzw. montierten Zustand des modularen Umformwerkzeugs insbesondere derart ausgebildet bzw. angeordnet, dass zumindest die Innenmantelfläche und vorteilhafterweise auch die Außenmantelfläche jeweils eine Presspassung mit einem weiteren Bauteil ausbilden. Diese Presspassungen können dabei beispielsweise Presspassungen zwischen einem Armierungsrohr und einem Primärwerkzeug sein oder alternativ bevorzugt kann ein Armierungsrohr auch in einem weiteren Armierungsrohr eingepresst sein. Zusätzlich bevorzugt kann ein Armierungsrohr auch, insbesondere über die Außenmantelfläche, eine Presspassung mit einer Werkzeugaufnahme bilden. Vorteilhafterweise kann daher jedes Armierungsrohr in einem anderen Bauteil eingepresst sein. Die Werkzeugaufnahme ist insbesondere das Bauteil des Umformwerkzeugs, welches das/die Armierungsrohr(e), das/die Hilfswerkzeug(e) und das/die Primärwerkzeug(e) umgibt und/oder aufnimmt. Insbesondere begrenzt die Werkzeugaufnahme daher das Umformwerkzeug in Radialrichtung bzw. radial nach außen. Vorteilhafterweise weist die Werkzeugaufnahme eine innere Mantelfläche auf, welche ebenfalls zylindrisch und/oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längserstreckungsrichtung ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist diese innere Mantelfläche derart im Umformwerkzeug angeordnet, dass diese mit den Außenmantelflächen der Armierungsrohre des Umformwerkzeugs und/oder mit den Umlaufflächen der Hilfswerkzeuge kontaktieren kann bzw. in einem zusammengebauten Zustand kontaktiert, welche die größte radiale Abmessung aufweisen. Neben dem Armierungsrohr und dem Primärwerkzeug umfasst das Umformwerkzeug auch noch zumindest ein Hilfswerkzeug, bevorzugt eine Vielzahl von Hilfswerkzeugen. Dieses Hilfswerkzeug bzw. die Hilfswerkzeuge des modularen Umformwerkzeugs weisen in Längserstreckungsrichtung Deckflächen auf. In anderen Worten ist das Hilfswerkzeug daher in die Längserstreckungsrichtung durch die Deckflächen, insbesondere vollständig durch die Deckflächen, begrenzt. Vorteilhafterweise sind diese Deckflächen dabei eben ausgebildet, und/oder weisen jeweils eine Normale auf, welche im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung sind. Neben den Deckflächen weist das Hilfswerkzeug auch eine Umlauffläche auf, welche das Hilfswerkzeug in Radialrichtung nach außen begrenzt, insbesondere wird das Hilfswerkzeug in Radialrichtung nach außen ausschließlich durch die Umlauffläche begrenzt. In anderen Worten ist die Umlauffläche diejenige Fläche, welche das Hilfswerkzeug nach außen in Radialrichtung begrenzt. Diese Umlauffläche ist dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längserstreckungsrichtung ausgebildet, um eine einfache und kostengünstige Herstellung des Hilfswerkzeugs zu erreichen. Zusätzlich kann hierdurch auch noch eine besonders mechanisch belastbare Ausgestaltung des Hilfswerkzeugs erreicht werden. Die Umlauffläche ist dabei derart ausgestaltet, dass diese in Radialrichtung eine Spielpassung aufweist. Unter einer Spielpassung ist dabei in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Umlauffläche des zumindest einen Hilfswerkzeugs, bevorzugt aller Hilfswerkzeuge, in Relation zum nominalen bzw. Nenndurchmesser ein Spiel bzw. Untermaß aufweist. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann unter einer Spielpassung in diesem Zusammenhang auch verstanden werden, dass das Hilfswerkzeug in Relation zu dem im zusammengebauten Zustand unmittelbar umgebenden Teil, welches insbesondere eine Werkzeugaufnahme sein kann, eine Spielpassung bzw. ein räumliches Spiel aufweist. Die Hilfswerkzeuge des modularen Umformwerkzeugs dienen vornehmlich dazu, axiale Kräfte während des Bearbeitungsvorgangs entlang der Längserstreckungsrichtung formschlüssig von den Armierungsrohren und/oder den Primärwerkzeugen aufnehmen zu können. Vorteilhafterweise sind die Hilfswerkzeuge selbst wiederum ebenfalls formschlüssig in der Werkzeugaufnahme gehalten, zumindest in der Richtung in welcher die Bearbeitungskräfte beim Umformen des Werkstücks wirken. Durch diese formschlüssige Abstützung des Primärwerkzeugs kann eine sichere Festlegung der Primärwerkzeuge und der Armierungsrohre erreicht werden. Durch die Spielpassung der Hilfswerkzeuge in Radialrichtung wird erreicht, dass die Umlauffläche der Hilfswerkzeuge gerade keine Scherkräfte übertragen sollen oder zumindest nur sehr geringe Scherkräfte. Durch den modularen Aufbau des Umformwerkzeugs umfassend Primärwerkzeuge, Armierungsrohre und Hilfswerkzeuge kann eine besonders kostengünstige und einfache Konstruktion erreicht werden, denn sowohl die Armierungsrohre als auch die Hilfswerkzeuge, sowie die Primärwerkzeuge weisen einfache geometrische Formen auf, welche ähnlich einem Baukastensystem zusammengebaut werden können, um ein modulares Umformwerkzeug zu erhalten, wobei gleichzeitig eine sichere Fertigung des Werksstücks durch eine sichere Positionierung der Werkzeugflächen ermöglich wird.
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Zweckmäßigerweise sind die Hilfswerkzeuge und/oder die Armierungsrohre und/oder die Primärwerkzeuge einstückig ausgebildet. Hierdurch kann erreicht werden, dass diese Bauteile auch hohen Belastungen widerstehen können.
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Vorteilhafterweise weist das Umformwerkzeug eine, insbesondere äußere, Werkzeugaufnahme auf, wobei sämtliche Primärwerkzeuge, Armierungsrohre und Hilfswerkzeuge des Umformwerkzeugs sich zumindest teilweise innerhalb der Werkzeugaufnahme erstrecken. Die Werkzeugaufnahme bildet daher insbesondere die nach radial außen in Radialrichtung begrenzende Umfassung des Umformwerkzeugs aus. In anderen Worten kann die Werkzeugaufnahme daher als eine Art umgebende, insbesondere zylindrische, äußere Begrenzung des Umformwerkzeugs dienen bzw. eine solche ausbilden. Vorteilhafterweise weist die Werkzeugaufnahme eine durchgehende, insbesondere zentrale, Ausnehmung und/oder eine innere Mantelfläche auf, welche beispielsweise zumindest teilweise auch durch die Ausnehmung gebildet sein kann. Diese Ausnehmung oder diese innere Mantelfläche erstreckt sich vorteilhafterweise in Längserstreckungsrichtung, wobei innerhalb dieser Ausnehmung bzw. in dem durch die innere Mantelfläche aufgespannten Volumen sämtliche Primärwerkzeuge, Armierungsrohre und Hilfswerkzeuge des Umformwerkzeugs angeordnet sein können bzw. - in einem montierten Zustand - angeordnet sind. Es ist dabei jedoch nicht ausgeschlossen, dass zumindest einige Teile der Primärwerkzeuge, der Armierungsrohe und/oder der Hilfswerkzeuge sich in Längserstreckungsrichtung gesehen auch teilweise außerhalb der äußeren Werkzeugaufnahme befinden können. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass vorteilhafterweise jedes Primärwerkzeug, Armierungsrohr und/oder Hilfswerkzeug sich zumindest teilweise - in einem eingebauten Zustand - innerhalb der Werkzeugaufnahme befindet, bzw. erstreckt, insbesondere innerhalb der Ausnehmung und/oder innerhalb des von der inneren Mantelfläche aufgespannten Volumens. Durch das Vorsehen einer äußeren Werkzeugaufnahme wird eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit des modularen Umformwerkzeugs erreicht, sodass eine besonders sichere Positionierung erfolgen kann. Zusätzlich kann hierdurch auch erreicht werden, dass besonders große Umformkräfte auf das Werkstück sicher ausgeübt werden können. Die Werkzeugaufnahme ist dabei insbesondere einstückig ausgebildet, um auch hohen mechanischen Belastungen widerstehen zu können. Zweckmäßigerweise stützt sich zumindest ein Hilfswerkzeug mittelbar und/oder unmittelbar formschlüssig und/oder kraftschlüssig gegenüber der Werkzeugaufnahme ab, insbesondere in eine positive und/oder negative Richtung entlang der Längserstreckungsrichtung, um die beim Umformen auftretenden hohen Kräfte auf die Primärwerkzeuge und/oder die Hilfswerkzeuge sicher aufnehmen und ableiten zu können.
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Vorteilhafterweise kontaktiert zumindest eine Deckfläche eines Hilfswerkzeugs unmittelbar ein Armierungsrohr und/oder ein Primärwerkzeug. Hierdurch kann eine besonders sichere formschlüssige Positionierung des Armierungsrohrs und/oder des Primärwerkzeugs erreicht werden, insbesondere in die Längserstreckungsrichtung. Darüber hinaus kann hierdurch auch noch eine Entlastung der Presspassung zwischen dem Primärwerkzeug und dem Armierungsrohr, welches das Primärwerkzeug umgibt, erreicht werden, sodass Material und/oder Gewicht bei den Armierungsrohren eingespart werden kann. Unter einem unmittelbaren Kontakt ist dabei in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Deckfläche des Hilfswerkzeugs direkt mit dem Armierungsrohr und/oder einem Primärwerkzeug, insbesondere mit dessen Stirnfläche, kontaktieren soll bzw. kontaktiert.
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Zweckmäßigerweise ist zumindest eine Deckfläche eines Hilfswerkzeugs armierungsrohrkontaktfrei und/oder primärwerkzeugkontaktfrei. Unter armierungsrohrkontaktfrei und/oder primärwerkzeugkontaktfrei ist dabei zu verstehen, dass bei mindestens einem Hilfswerkzeug zumindest eine Deckfläche keinen mittelbaren oder unmittelbaren Kontakt mit einem Armierungsrohr und/oder mit einem Primärwerkzeug aufweist. Maßgeblich für diese Bestimmung ist insbesondere der montierte Zustand des Umformwerkzeugs. In anderen Worten kann dieses Hilfswerkzeug als bloße Positionierhilfe fungieren, ähnlich wie eine Unterfütterungsscheibe.
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Vorteilhafterweise sind in dem modularen Umformwerkzeug alle Hilfswerkzeuge derart ausgestaltet bzw. angeordnet, dass diese maximal eine Deckfläche aufweisen, welche mit einem Armierungsrohr und/oder mit einem Primärwerkzeug kontaktieren. Durch dieses Ausbilden bzw. Anordnen der Deckfläche bzw. der Deckflächen der Hilfswerkzeuge in Relation zu den Armierungsrohren und/oder zu den Primärwerkzeugen wird erreicht, dass die Hilfswerkzeuge insbesondere nur in eine Richtung belastet werden, vorteilhafterweise ausschließlich in positive oder negative Längserstreckungsrichtung. Hierdurch können insbesondere Fertigungskosten eingespart werden, denn die Deckflächen des Hilfswerkzeugs, welche armierungsrohrkontaktfrei und/oder primärwerkzeugkontaktfrei ausgebildet sind, müssen nicht in der Güte hergestellt werden wie die armierungsrohrkontaktierenden und/oder primärwerkzeugkontaktierenden Deckflächen der Hilfswerkzeuge. Darüber hinaus kann bei einer armierungsrohrkontaktfreien und/oder primärwerkzeugkontaktfreien Anordnung der Deckflächen des Hilfswerkzeugs auf kostenintensive Oberflächenbehandlungen zur Reduktion der Oberflächenrauheit dieser Deckflächen verzichtet werden oder deren Einsatz zumindest reduziert werden, insbesondere um Setzerscheinungen zu reduzieren. Daher kann durch die armierungsrohrkontaktfreie und/oder primärwerkzeugkontaktfreie Anordnung der Deckfläche bzw. der Deckflächen ein besonders kostengünstiges modulares Umformwerkzeug erreicht werden.
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Vorteilhafterweise entspricht die äußere Abmessung der Umlauffläche zumindest eines Hilfswerkzeugs im Wesentlichen der nominalen Abmessung der Außenmantelfläche eines Armierungsrohrs. Ein Entsprechen der „im Wesentlichen nominellen Abmessung“ liegt insbesondere dann vor, wenn die äußere Abmessung der Umlauffläche des maßgeblichen Hilfswerkzeugs und die äußere Abmessung der Außenmantelfläche des Armierungsrohrs bis auf die Toleranzklasse die gleichen Abmessungen aufweisen. Daher sind insbesondere die maßgebliche Außenmantelfläche des Armierungsrohrs und die maßgebliche Abmessung der Umlauffläche des Hilfswerkzeugs derart beschaffen, dass diese demselben Nennmaß entsprechen, sodass diese sich lediglich im Hinblick auf ihre Toleranzklasse unterscheiden. Beispielsweise kann die maßgebliche Außenmantelfläche des Armierungsrohrs eine Toleranzklasse von m bis u aufweisen und die Umlauffläche eines Hilfswerkzeugs beispielsweise eine Toleranzklasse von b bis h aufweisen. Maßgeblich für die Toleranzklasse kann dabei insbesondere die DIN ISO 286-1 sein. Durch die Ausgestaltung der Umlauffläche zumindest eines Hilfswerkzeugs derart, dass diese im Wesentlichen der nominellen Abmessung der Außenmantelfläche eines Armierungsrohrs entspricht, kann erreicht werden, dass teure Lagerkosten eingespart werden, denn die vorzuhaltende Teilevielfalt kann hierdurch stark reduziert werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die äußere Abmessung der Umlauffläche aller Hilfswerkzeuge im Wesentlichen der nominalen Abmessung der Außenmantelfläche zumindest eines anderen Armierungsrohrs des modularen Umformwerkzeugs entspricht. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass die äußere Abmessung der Umlaufflächen jedes Hilfswerkzeugs bis auf die Toleranzklasse zumindest der äußeren Abmessung eines Armierungsrohres des modularen Umformwerkzeugs entspricht.
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Zweckmäßigerweise weist das Umformwerkzeug eine Vielzahl von Armierungsrohren auf, wobei die Armierungsrohre das Primärwerkzeug, insbesondere alle Primärwerkzeuge, in Radialrichtung umschließen. Hierdurch kann eine einfache modulare Bauweise des modularen Umformwerkzeugs erreicht werden, bei der Kosten eingespart werden können, denn die Subbaugruppe aus Armierungsrohren und dem Primärwerkzeug oder den Primärwerkzeugen kann hierdurch bereits vormontiert werden. Zusätzlich kann durch die Kontaktfläche bzw. durch die Kontaktflächen zwischen den Armierungsrohren und dem Primärwerkzeug bzw. den Primärwerkzeugen auch noch eine hohe modulare Dämpfung des gesamten Umformwerkzeugs erreicht werden, sodass besonders gute Schwingungseigenschaften resultieren. Unter einem „Umschließen“ in Radialrichtung ist dabei zu verstehen, dass sämtliche Primärwerkzeuge in Radialrichtung gesehen zumindest ein Armierungsrohr aufweisen, welches das Primärwerkzeug bzw. alle Primärwerkzeuge umgibt.
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Zweckmäßigerweise schließt zumindest eine Stirnfläche eines Primärwerkzeugs, insbesondere jedes Primärwerkzeugs, bündig in Längserstreckungsrichtung mit einem Armierungsrohr ab, wobei dieses Armierungsrohr vorteilhafterweise das Primärwerkzeug umgibt. Durch das bündige Abschließen des Primärwerkzeugs mit einem Armierungsrohr, vorteilhafterweise mit allen Armierungsrohren, welche das Primärwerkzeug umschließen, können Kosten eingespart werden, denn hierdurch kann effektiv eine Vormontage stattfinden. Durch diese Vorfertigung können daher bereits gewisse Submodule vorgefertigt werden, sodass Kosten eingespart werden können. Unter einem bündigen Abschließen ist dabei zu verstehen, dass insbesondere eine Stirnfläche des Primärwerkzeugs und eine das Armierungsrohr begrenzende Fläche in Längserstreckungsrichtung in einer Ebene liegen. Vorteilhafterweise ist diese Ebene dabei derart ausgestaltet, dass diese eine Normale aufweist, welche zumindest im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung ist. Hierdurch können insbesondere Querkräfte, welche senkrecht zur Längserstreckungsrichtung wirken, vermieden werden. In anderen Worten kann daher unter einem bündigen Abschließen verstanden werden, dass zumindest ein distales Ende eines Primärwerkzeugs und eines, insbesondere umgebenden, Armierungsrohrs in Längserstreckungsrichtung in einer Ebene liegen. Vorteilhafterweise schließen alle das Primärwerkzeug umgebenden Armierungsrohre mit diesem umgebenen Primärwerkzeug bündig in Längserstreckungsrichtung ab.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform schließt zumindest eine Stirnfläche eines Primärwerkzeugs, insbesondere jedes Primärwerkzeugs, bündig in Längserstreckungsrichtung mit allen Armierungsrohren ab, welche das jeweilige Primärwerkzeug umgibt bzw. umgeben. Hierdurch kann eine einfache Vorfertigung bzw. Vormontage erreicht werden, sodass die Montagekosten weiter gesenkt werden können.
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Bevorzugt sind die Armierungsrohre und/oder die Hilfswerkzeuge aus Wälzlagerstahl. Durch die Ausgestaltung der Armierungsrohre und/oder der Hilfswerkzeuge aus Wälzlagerstahl kann eine besonders mechanisch belastbare Konstruktion des modularen Umformwerkzeugs erreicht werden, sodass auch hohe Umformkräfte sicher auf das Werkstück ausgeübt werden können, ohne dass ein mechanisches Versagen des modularen Umformwerkzeugs droht.
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Zweckmäßigerweise sind die Armierungsrohre derart ausgebildet, dass alle Armierungsrohre mit im Wesentlichen denselben äußeren Abmessungen in der Radialrichtung auch dieselbe im Wesentlichen innere Abmessung in Radialrichtung aufweisen. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass alle Armierungsrohre, welche im Wesentlichen gleich dimensionierte Innenmantelflächen aufweisen, auch im Wesentlichen gleich dimensionierte Außenmantelflächen aufweisen. Ein „im Wesentlichen gleich“ oder eine „im Wesentlichen dieselbe“ Dimensionierung liegt insbesondere dann vor, wenn die maßgeblichen Abmessungen nur maximal +/-0,08 mm, bevorzugt maximal +/- 0,05 mm, besonders bevorzugt maximal +/- 0,02 mm und besonders bevorzugt maximal +/-0,01 mm voneinander abweichen. Beispielsweise können die Armierungsrohre, welche eine zylindrische Innenmantelfläche und eine zylindrische Außenmantelfläche aufweisen, derart ausgebildet seien, dass die Armierungsrohre mit dem gleichen Durchmesser der Innenmantelfläche auch den gleichen Durchmesser im Hinblick auf die Außenmantelfläche aufweisen. Durch diese geometrische Klassifikation der Armierungsrohre kann die Modularisierung des modularen Umformwerkzeugs weitergesteigert werden, sodass Kosten eingespart werden können. Die Länge dieser Armierungsrohre in Längserstreckungsrichtung kann dabei jedoch trotz der gleichen inneren und äußeren Dimensionierung unterschiedlich sein. Vorteilhafterweise sind jedoch auch die Längen dieser Armierungsrohre in Längserstreckungsrichtung gleich groß.
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Vorteilhafterweise sind zumindest die innenliegenden Armierungsrohre, bevorzugt alle Armierungsrohre, derart ausgebildet, dass das Verhältnis der inneren Abmessungen in Radialrichtung zu der äußeren Abmessung in Radialrichtung in einem Bereich von 0,7 bis 0,98, bevorzugt in einem Bereich von 0,8 bis 0,97 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,85 bis 0,95 liegt. Die innenliegenden Armierungsrohre sind insbesondere die Armierungsrohre, welche, insbesondere in einem eingebauten bzw. verpressten Zustand, an ihrer äußeren Mantelfläche ein weiteres Armierungsrohr kontaktieren. Daher sind insbesondere die Armierungsrohre, dessen Außenmantelfläche die Werkzeugaufnahme kontaktieren, keine innenliegenden Armierungsrohre. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt sind nur diejenigen Armierungsrohre keine innenliegenden Armierungsrohre, welche die größte Abmessung in Radialrichtung aufweisen. Bei einem Verhältnis der inneren Abmessung in Radialrichtung zu der äußeren Abmessung in Radialrichtung in einem Bereich von 0,7 bis 0,98 kann eine besonders einfach herzustellende Geometrie der Armierungsrohre erreicht werden, sodass hierdurch Kosten eingespart werden können. Bei einem Verhältnis von 0,8 bis 0,97 resultieren besonders mechanisch belastbare Armierungsrohre. Maßgeblich für die Bestimmung des Verhältnisses sind dabei die maximalen äußeren Abmessungen in Radialrichtung des Armierungsrohrs zu den minimalen inneren Abmessungen des Armierungsrohrs in Radialrichtung.
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Zweckmäßigerweise ist das modulare Umformwerkzeug ein Stempel und/oder eine Matrize. In anderen Worten kann das modulare Umformwerkzeug sowohl als ein Stempel ausgebildet sein und/oder als eine Matrize ausgebildet sein. Eine Matrize im Sinne dieser Erfindung ist ein Umformwerkzeug, welches bei dem Umformverfahren nicht bewegt wird, sondern insbesondere in Relation zur Werkzeugmaschine ortsfest angeordnet ist. Ein Stempel im Sinne der Erfindung ist hingegen ein Umformwerkzeug, welches bei dem Umformverfahren in Relation zur Werkzeugmaschine und/oder in Relation zur Matrize bewegt wird.
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Bevorzugt ist das modulare Umformwerkzeug in Längserstreckungsrichtung durch eine Verschlussschraube begrenzt. In anderen Worten kann dies bedeuten, dass in Längserstreckungsrichtung gesehen, zumindest eine Verschlussschraube einen distalen Endabschnitt des modularen Umformwerkzeugs in Längserstreckungsrichtung ausbildet. Durch das Verwenden einer Verschlussschraube kann eine besonders einfache und sichere Festlegung der modularen Bestandteile des Umformwerkzeugs erreicht werden. Vorteilhafterweise weist hierzu die Werkzeugaufnahme ein Innengewinde auf, in welches die Verschlussschraube eingeschraubt ist oder einschraubbar ist.
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Zweckmäßigerweise weist die Verschlussschraube einen Gewindeabschnitt auf, wobei der Gewindeabschnitt einen nominalen Durchmesser aufweist, welcher größer als die maximale Abmessung aller Armierungsrohre des Umformwerkzeugs in Radialrichtung ist. Durch diese besonders große Ausgestaltung des Gewindeabschnitts der Verschlussschraube kann eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit erreicht werden. Der nominale Durchmesser des Gewindeabschnitts ist dabei insbesondere der Außendurchmesser des Gewindes. Besonders bevorzugt ist der nominale Durchmesser des Gewindes dabei das 1,1 bis 1,4-fache der maximalen Abmessung aller Armierungsrohre des Umformwerkzeugs in Radialrichtung. Hierdurch kann eine sowohl mechanisch belastbare als auch kompakte Ausgestaltung des Gewindeabschnitts erreicht werden. Die maßgebliche maximale Abmessung aller Armierungsrohre des Umformwerkzeugs in Radialrichtung ist dabei in diesem Zusammenhang die größte mögliche Abmessung in Radialrichtung der Armierungsrohre des maßgeblichen modularen Umformwerkzeugs. In anderen Worten kann die maximale Abmessung aller Armierungsrohre des Umformwerkzeugs in Radialrichtung der maximale Außendurchmesser des größten Armierungsrohres sein. Das maßgebliche modulare Umformwerkzeug ist dabei insbesondere die Matrize oder der Stempel an dem die Verschlussschraube montiert ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann einen modularen Umformwerkzeugsatz betreffen, welcher zwei modulare Umformwerkzeuge gemäß den vorbeschriebenen Ausgestaltungen aufweisen kann, wobei das eine modulare Umformwerkzeug ein Stempel ist und wobei das zweite modulare Umformwerkzeug eine Matrize ist.
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Ein ebenfalls weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teilen, insbesondere Schrauben und/oder Bolzen, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Werkstückrohlings und umformen des Werkstückrohlings durch ein modulares Umformwerkzeug wie vorgehend und/oder nachfolgend beschrieben. Das umformen des Werkstückrohlings erfolgt dabei durch den Kontakt des Werkstückrohlings mit der oder den Werkstückbearbeitungsfläche(n) des oder der Primärwerkzeug(e) des modularen Umformwerkzeugs. Die Umformung des Werkstückrohlings in ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Teil kann dabei lediglich durch einen Umformschritt erfolgen. Alternativ bevorzugt können jedoch auch mehrere Umformschritte in dem Herstellungsverfahren vorgenommen werden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn jeder dieser Umformschritte unter der Verwendung eines erfindungsgemäßen modularen Umformwerkzeugs erfolgt. Nach oder vor dem Umformen des Werkstückrohlings können auch noch weitere Bearbeitungsschritte vom Herstellungsverfahren umfasst sein, wie z.B. ein Nachschneiden und/oder Rollen eines Gewindes und/oder das Auftragen von Schmierstoffen, um das Umformen des Werkstückrohlings zu vereinfachen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Relation zu den Figuren. Es zeigt:
- 1 einen Schnitt durch ein modulares Umformwerkzeug in Form einer Matrize;
- 2 einen Schnitt durch ein modulares Umformwerkzeug in Form eines Stempels und
- 3 einen modularen Umformwerkzeugsatz.
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In der 1 ist ein modulares Umformwerkzeug 1 gezeigt, welches eine Matrize 3 ist. Das Umformwerkzeug 1 erstreckt sich entlang der Längserstreckungsrichtung L, wobei radial wegweisend von dieser Längserstreckungsrichtung L sich die Radialrichtung R erstreckt. Das Umformwerkzeug 1 umfasst sowohl eine Werkzeugaufnahme 60 als auch zahlreiche Primärwerkzeuge 10 und Armierungsrohre 30. Zusätzlich verfügt das Umformwerkzeug 1 auch noch über zwei Hilfswerkzeuge 50. Eines der Hilfswerkzeuge 50 bildet durch eine seiner Deckflächen 56 zumindest teilweise ein distales Ende des Umformwerkzeugs 1 entlang der Längserstreckungsrichtung L aus. Die Werkzeugaufnahme 60 weist eine innere Mantelfläche auf, welche eine Presspassung mit den Außenmantelflächen 34 der außenliegenden Armierungsrohe 30 ausbildet. Die Hilfswerkzeuge 50 und deren Umlauffläche 54 weisen hingegen Spielpassungen gegenüber der Werkzeugaufnahme 60 bzw. der inneren Mantelfläche der Werkzeugaufnahme 60 auf. Die Armierungsrohre 30 sind jeweils über deren innere Mantelfläche 32 und über die äu-ßere Mantelfläche 34 über eine Presspassung mechanisch örtlich festgelegt, sodass diese Presspassung einer Verlagerung in Längserstreckungsrichtung L entgegenwirkt. Die der Längserstreckungsrichtung L am nächsten liegenden Armierungsrohre 30 in Radialrichtung R bzw. die zentralen Armierungsrohre 30 umschließen dabei zumindest teilweise jeweils ein Hilfswerkzeug 50. Diese Hilfswerkzeuge 50 sind über deren Mantelfläche 14 in die Innenmantelfläche 32 des nächstliegenden zentralen Armierungsrohrs 30 eingepresst. Hierdurch kann eine Fixierung jedes Primärwerkzeugs 10 in Radialrichtung R und zumindest teilweise auch in Längserstreckungsrichtung L erreicht werden. Die Stirnflächen 16 der Primärwerkzeuge 10 bilden jeweils in positive und/oder negative Längserstreckungsrichtung L die distalen Enden der Primärwerkzeuge 10 aus. Diese Stirnflächen 16 können in einem montierten Zustand, wie er in 1 dargestellt ist, entweder kontaktfrei angeordnet sein oder können kontaktierend mit einem Hilfswerkzeug 50 und/oder einer weiteren Stirnfläche 16 eines Primärwerkzeugs 10 kontaktierend angeordnet sein, wobei die kontaktfreien Stirnflächen 16 insbesondere ein distales Ende des Umformwerkzeugs 1 ausbilden. Radial nach innen in Radialrichtung R bilden die Primärwerkzeuge 10 jeweils eine Werkstückbearbeitungsfläche 12 aus. Das Primärwerkzeug 10 kann insbesondere aus einem Hartmetall ausgebildet sein, wobei die Armierungsrohre 30 und/oder die Hilfswerkzeuge 50 aus Wälzlagerstahl ausgebildet sein können. Wie der 1 entnehmbar - bilden die Primärwerkzeuge 10 und die Armierungsrohre 30 über die kontaktierenden Mantelflächen 14 der Primärwerkzeuge 10 und die Innenmantelflächen 32 der Armierungsrohre jeweils eine Pressverbindung zu einander aus. Die Hilfswerkzeuge 50 hingegen weisen keinerlei Presspassung auf, sodass diese in Längserstreckungsrichtung L in keiner Weise durch eine Presspassung gehalten sind. Vielmehr ist zwischen der Umlauffläche 54 des Hilfswerkzeugs 50 und der Werkzeugaufnahme 60 eine Spielpassung vorhanden.
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In der 2 ist ein modulares Umformwerkzeug 1 in Form eines Stempels 2 gezeigt. Der Stempel 2 verfügt über ein Primärwerkzeug 10, welches von den Armierungsrohren 30 umschlossen ist. Die Armierungsrohre 30 weisen dabei in Radialrichtung R nach innen jeweils eine Innenmantelfläche 32 auf, welche mit der benachbarten bzw. nächstliegenden Fläche eine Presspassung ausbildet. Neben den Armierungsrohren 30 und dem Primärwerkzeug 10 verfügt der Stempel 2 auch noch über einige Hilfswerkzeuge 50, welche zur formschlüssigen Abstützung der Primärwerkzeuge 10 und der Armierungsrohre 30 in Richtung der Längserstreckungsrichtung L dienen. Diese Hilfswerkzeuge 50 verfügen jeweils über eine Umlauffläche 54, welche das jeweilige Hilfswerkzeug 50 in Radialrichtung R begrenzen. Diese Umlaufflächen 54 weisen dabei jeweils zu ihrem äußeren Umgebungs- bzw. Kontaktpartner in Radialrichtung R eine Spielpassung auf. Neben den Primärwerkzeugen 10, den Hilfswerkzeugen 50 und den Armierungsrohren 30 weist der Stempel 2 auch eine Verschlussschraube 70 auf, welche ein distales Ende des Stempels 2 entlang der Längserstreckungsrichtung L ausbildet. Die Verschlussschraube 70 verfügt über einen Gewindeabschnitt 72, welcher einen nominalen Durchmesser aufweist, der größer ist als die maximale Abmessung aller Armierungsrohre 30 des Stempels 2.
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In der 3 ist ein Umformwerkzeugsatz gezeigt, welcher ein Umformwerkzeug 1 in Form eines Stempels 2 und eine Umformwerkzeug 1 in Form einer Matrize 3 umfasst. Der in der 3 dargestellte Stempel 2 und die dargestellte Matrize 3 können dabei jeweils dem Stempel 2 aus der 2 und der Matrize 3 aus der 1 entsprechen. Während eines Umformvorgangs eines umzuformenden Werkstücks mittels des Umformwerkzeugsatzes kann der Stempel 2 in Relation zur Matrize 3 entlang der Längserstreckungsrichtung L bewegt werden, umso ein Umformen des Werkstücks zu erreichen. Hierzu kann insbesondere der Freiraum F innerhalb des Stempels 2 dazu genutzt werden, den Kopf eines Bolzens oder einer Schraube zu formen bzw. auszubilden. In anderen Worten kann durch eine Verlagerung eines Teils des Werkstoffs des Werkstücks innerhalb des Freiraums F und/oder in den Freiraum F der Kopf des Werkstücks, insbesondere der einer Schraube und/oder eines Bolzens, geschaffen werden. Die Primärwerkzeuge 10 dienen ebenfalls dazu, die Ausgestaltung des Werkstücks zu erreichen, wie beispielsweise ein Gewinde und/oder einen Kopf und/oder einen Schaft eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Bauteils. Die Hilfswerkzeuge 50 sind dabei über ihre Umlauffläche 54 jeweils derart angeordnet, dass diese in Radialrichtung R eine Spielpassung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Umformwerkzeug
- 2
- - Stempel
- 3
- - Matrize
- 10
- - Primärwerkzeug
- 12
- - Werkstückbearbeitungsfläche
- 14
- - Mantelfläche
- 16
- - Stirnfläche
- 30
- - Armierungsrohr
- 32
- - Innenmantelfläche
- 34
- - Außenmantelfläche
- 50
- - Hilfswerkzeug
- 54
- - Umlauffläche
- 56
- - Deckfläche
- 60
- - Werkzeugaufnahme
- 70
- - Verschlussschraube
- 72
- - Gewindeabschnitt der Verschlussschraube
- F
- - Freiraum
- L
- - Längserstreckungsrichtung
- R
- - Radialrichtung
