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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine
zur spanlosen und spanabtragenden Umformung von Werkstücken in
Form eines Hohlkörpers
mit zumindest einer rotationssymmetrischen Öffnung und ein Verfahren zur
Herstellung dieser Hohlkörper.
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Werkzeugmaschinen unterschiedlichster
Art für
umformende oder spanabtragende Bearbeitung von Werkstücken sind
in vielfaltigen Ausgestaltungen bekannt. So gibt es insbesondere
Werkzeugmaschinen die als Druckmaschinen und solche, die als Drehmaschinen
ausgebildet sind. In der Praxis werden spanabtragende und spanlose
Umformungen an unterschiedlichen Werkzeugmaschinen, nämlich Druckmaschinen
und Drehmaschinen, vorgenommen. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen weisen
den Nachteil auf, dass für
die Herstellung von Werkstücken,
die mit unterschiedlichen Umformverfahren hergestellt sind, stets
ein zwischenzeitliches Umspannen und der Erwerb einer weiteren Werkzeugmaschine
erforderlich sind. Dies führt
zu einem erhöhten
Arbeits-, Zeit- und Finanzaufwand.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine
Druckmaschine zur Herstellung von Hohlkörpern mittels Metalldrücken bereitzustellen,
die eine höhere
Präzision der
durch Drücken
umgeformten Metallbereiche ermöglicht,
insbesondere im Randbereich der Hohlkörper, und das Verfahren zur
Herstellung der Hohlkörper
nicht einer Nachbearbeitung in einem nachgeschalteten Bearbeitungsschritt
mit separater Einspannung bedarf. Das Verfahren sowie die Vorrichtung
soll eine einfachere, schnellere und damit wirtschaftlichere Herstellung
der gewünschten
Werkstücke
erlauben.
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Diese Aufgabe wird mit einer Werkzeugmaschine
zur Umformung von Werkstücken
in Form von Hohlkörpern
mit rotationssymmetrischer Öffnung
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass
- – zumindest
ein Werkzeug ein Drückwerkzeug
zur Umformung des Werkstückes
im Bereich der rotationssymmetrischen Öffnung durch Ausübung von Druckkräften auf
die Werkstückoberfläche ist,
wobei das Werkstück
in seinem Umfang begrenzbar ist bis es zumindest teilweise an die
eingeführte rotierende
Formbuchse anlegbar ist,
- – zumindest
ein Werkzeug ein spanabtragendes Werkzeug zum Abstechen des durch
Drücken umgeformten
Werkstückes
ist und
- – die
Werkzeugmaschine ein in das Werkstück ein- und ausführbare rotierende
Formbuchse im Bereich des Reitstockes aufweist,
- – das
spanabtragende Werkzeug oder ein weiteres spanabtragendes Werkzeug
nach Ausfahren der Formbuchse aus der durch Drücken umgeformten Werkstücköffnung im
Bereich der inneren Oberfläche
der Werkstücköffnung und/oder
im Bereich der äußeren Oberfläche der
Werkstücköffnung,
vorzugsweise im Bereich beider Oberflächen, an das Werkstück zur weiteren
spanabtragenden Bearbeitung heranführbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Vorzugsweise weist die Werkzeugmaschine eine
Formbuchse auf, die in die Öffnung
des Werkstückes
ein- und ausfahrbar ist, ohne dass die Rotationsbewegung des Werkstückes zum
Stillstand gekommen sein muss und die in eine Drehbewegung synchron
zur Hauptspindelachse versetzbar ist. Vorzugsweise wixd die Formbuchse
aus der Werkstücköffnung gefahren
vor Ausführung
der spanabtragenden Umformungsschritte.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken in der Form von Hohlkörpern mit
zumindest einer rotationssymmetrischen Öffnung. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Werkstück
in einer einzigen Aufspannung zwischen Spanfutter und Formbuchse
umgeformt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte (in beliebiger
Reihenfolge, vorzugsweise jedoch in nachgenannter Reihenfolge) umfasst:
- – spanloses
Umformungen unter Rotation des Werkstückes an der radial nach außen weisenden Oberfläche durch
ein Drückwerkzeug,
bis die umgeformten Werkstückbereiche
zumindest teilweise an die rotierende Formbuchse herangeführt sind,
- – Ausfahren
der Formbuchse aus der Öffnung
des Hohlkörpers
- – Abstechen
des Werkstückes
im Randbereich der Öffnung
durch ein spanabtragendes Werkzeug, und einen oder mehrere der nachgenannten
Schritte:
- – spanabtragende
Umformung an der radial nach außen
weisenden Oberfläche
des durch Drücken umgeformten
Werkstückbereichs
und/oder,
- – spanabtragende
Umformung an der radial nach innen weisenden Oberfläche des
durch Drücken umgeformten
Werkstückbereichs.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Rohling, in das Spannfutter eingespannt, im Bereich der rotationssymmetrischen Öffnung einer
im wesentlichen radial nach innen gerichteten spanlosen Umformung
durch Drücken
unterzogen bis das Werkstück
zumindest teilweise an der Formbuchse anliegt. Die weitere Umformung
erfolgt an einem radial nach innen (einschließlich des Abstechers) und/oder
radial nach außen
gerichteten Bereich der Oberfläche
des Werkstückes
spanabtragend.
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Die spanabtragende Umformung erfolgt
zumindest teilweise an Oberflächen,
die zuvor durch Drücken
umgeformt wurden und weiterhin und ggf. unabhängig hiervon bevorzugt auf
gleicher Höhe
des Werkstückes
an radial nach innen und radial nach außen gerichteten Stellen der
Oberfläche.
Weiterhin oder als Teil einer dieser Umformung kann spanabtragend
ein Abstechen an der auslaufenden Öffnung des Hohlkörpers erfolgen.
Vorzugsweise wird die Formbuchse (Drückfutter) aus der Öffnung ausgefahren
bevor die spanabtragenden Umformungen, zumindest das Abstechen und
das spanabtragende Umformen an den inneren Oberfläche des
Hohlkörpers,
vorgenommen werden.
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Die Arbeitsspindel wird während der
Umformungen vorzugsweise mit einer Drehgeschwindigkeit von 1000
bis 2500, insbesondere von 1500 bis 2000 U/min betrieben. Das Spannfutter
wird zur Verarbeitung langgestreckter Werkstücke durch ein massives Stützlager
gehalten, das vorzugsweise als zweitteilige Lünette ausgebildet ist, und
die Funktion hat, das Werkstück
auch bei der hohen Umdrehungsgeschwindigkeit und seitlich angreifenden
Drückkräften zu
fixieren.
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Erfindungsgemäß ermöglicht das neue Verfahren die
Umformung des Rohlings zu dem fertigen Werkstück in einer einzigen Aufspannung.
Dabei werden neben dem Abstechen vorzugsweise sowohl an radial nach
außen
und radial nach innenweisenden Oberflächen des Rohlings Umformungen
vorgenommen, wobei wenigstens eine spanabtragende Umformung nach
der Umformung durch Drücken
erfolgt. Die Umformungen an den radial nach außen oder den nach innen weisenden
Oberflächen
des Rohlings bzw. Werkstücks
können
z. 8. darin bestehen, Rillen, Nuten und/oder Rippen zu erzeugen,
wobei diese wahlweise nach innen oder nach außen weisend herstellbar sind.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei nachfolgend
der Arbeitsschritt des Drückens
zur Umformung der Hohlkörper
allgemein erläutert.
Durch die Rotation der Arbeitsspindel und den punktförmigen Kraftangriff
der Drückwerkzeuge
wird der Hohlkörper
rotationssymmetrisch in seinem Kreisumfang beschränkt. Die
Drückkräfte können radial
und axial mittels der Druckwerkzeuge ausgeübt werden solange bis das Werkstückmaterial
an der mit der dem Reitstock verbundenen Formbuchse anliegt. Das Drückbankbett
dient der Aufnahme von Spindelstock, Reitstock und Auflage. Im Spindelstock
ist die Arbeitsspindel gelagert. Der Antrieb der Arbeitsspindel kann über Riemen,
Stufenscheiben oder über
ein Zahnradgetriebe erfolgen.
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Die Drückwerkzeuge sind vorzugsweise
aus hochlegierten Stählen
hergestellt. Für
bestimmte Metalle können
auch Werkzeuge aus Messing oder Bronze (für Eisenwerkstoffe) oder aus
Kunststoff oder Holz (für
Aluminium und Aluminiumlegierungen) zum Einsatz kommen. Die Form
und die Größe der Drückstähle richtet
sich nach der Kontur, den Radien und der Größe der Werkstücke. Die
gebräuchlichsten Werkzeuge
sind Knopfstahl, Kugelstahl, Hakenstahl, Drückrolle, Herzstahl, Mondstahl,
Spitzstahl, Eckdrückstahl
und Faconrolle, bevorzugt ist die Drückrolle, die auch als Formrolle
ausgeprägt
sein kann.
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Um eine möglichst wirtschaftliche Fertigung zu
ermöglichen,
ist vorgesehen, dass das Werkstück in
einer einzigen Aufspannung auf einer einzelnen Werkzeugmaschine
mit Hilfe unterschiedlicher Werkzeuge umgeformt wird. Hierdurch
ist das erfindungsgemäße Verfahren
sehr vielseitig einsetzbar, was die schnelle und kostengünstige Herstellung
vieler hochpräziser
rotationssymmetrischer Werkstücke
aus Metall durch Drücken
erlaubt, die bisher durch aufwendige spanende Bearbeitung oder durch
Press- und Ziehmaschinen relativ unpräzise hergestellt werden mussten.
Für die
Herstellung eines Abrollkolbens werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
z.B. nur noch 2,4 min benötigt.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen
bzw. Bestandteile der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine und des
erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutet.
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Bevorzugt ist das Drückwerkzeug
eine Drückrolle
und das spanabtragende Werkzeug hiervon unabhängig ein Drehstahl oder ein
Stechwerkzeug. Das weitere spanabtragende Werkzeug ist vorzugsweise
ein Stechwerkzeug, wenn bereits ein Drehstahl eingesetzt wird. Die
Werkzeuge können Teil
eines Werkzeugträgers
oder mehrer Werkzeugträger
sein.
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Vorzugsweise ist das Werkstück insgesamt rotationssymmetrisch
ausgebildet und wird aus einem vorgeformten Rohling in Form eines
zylindrischen Rohrabschnitts gefertigt.
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Das Werkstück besteht vorzugsweise aus Aluminium
oder ist aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die metallischen
Werkstücke,
insbesondere solche die aus Aluminium bestehende oder dieses enthalten,
werden vorzugsweise vor erfindungsgemäßer Bearbeitung einer Wärmebehandlung
unterzogen, wobei das Werkstück
vor erfindungsgemäßer Bearbeitung
zumindest im umzuformenden Bereich auf 200°C bis 400°C erhitzt wird. Danach kann es
wieder auf Raumtemperatur abkühlen.
Es hat sich gezeigt, dass sich die Werkstücke dann besser verarbeiten
lassen, vor allem unter Anfall von geringeren Mengen an Ausschuss,
wie z.B. durch Reißen.
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Das Werkstück weist vorzugsweise einen
konischen Dichtsitz auf, der durch erfindungsgemäße Umformungen der Werkstückwand gebildet
ist, und trägt
in einer weiter bevorzugten Ausführung über den
gesamten äußeren Umfang
am konischen Dichtsitz verteilt eine gekräpfte/umgebördelte äußere Kante. Der konische Dichtsitz
kann umlaufend ausgedrehte Nuten ausweisen. Vorzugsweise sind beide Endbereiche
des Werkstückes
im Rahmen von zwei Einspannungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
umformend bearbeitet.
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Das fertige Werkstück findet
vorzugsweise als Abrollzylinder Verwendung, wie er als Teil einer Luftfeder
z.B. für
Fahrzeuge eingesetzt wird. Hierbei wird ein elastomerer Rollbalg,
der zumindest an einem Ende einen konischen Dichtwulst aufweist,
auf einem konischen Dichtsitz am Ende des Abrollkolbens angeordnet,
so dass er sich beim Betrieb der Luftfeder auf der Mantelwandung
des Abrollkolbens, z.B. mittels einer Rollfalte, abstützt.
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Luftfedern mit einem elastomeren
Rollbalg haben sich als Fahrzeugfederungen, insbesondere zur Abfederung
der Radachsen von Lastkraftwagen und Autobussen, in großem Umfang
bewährt.
Die Rollbalge sind dabei mit einem Ende an einem Abrollkolben befestigt,
der gewöhnlich
aus Metall, bevorzugt aus Aluminium, gefertigt ist. Im Betriebszustand bewegt
sich der Abrollkolben innerhalb des Rollbalges, der sich umstülpt und
eine Rollfalte bildet, die über
den Außenmantel
des Abrollkolbens abrollt.
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Um einen dichten Sitz des Rohbalges
an dem Abrollkolben und eine Sicherung des Abrollkolbens gegen Herausziehen
aus der Balgöffnung
zu gewährleisten,
sind verschiedene abdichtende Anschlussarten und Ausformungen des
Abrollkolbens im Anschlussbereich bekannt. Der Abrollkolben weist in
der Regel einen kreisförmigen
konischen Dichtsitz auf, auf dem das offene Ende des Rollbalges
mit einem entsprechenden konischen Dichtwulst sitzt. Um das Gesamtluftvolumen
einer Luftfeder zu erhöhen, ist
es an sich bekannt, das Volumen des Abrollkolbens als Zusatzvolumen
zu nutzen. Zur Sicherung gegen Abziehen des konischen Dichtwulstes
von dem Dichtsitz des Abrollkolbens ist es weiterhin bekannt, das
andere Balgende über
einen auf den Abrollkolben aufschraubbaren Spannteller zu fixieren. Den
Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass der Rollbalg eine dauerhaft
und auch unter Bewegung luftdichte Verbindung mit dem Abrollkolben
ausbilden muss und daher im Anschlussbereich mit hoher Präzision gefertigt
sein muss.
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Der Abrollkolbens ist an seinem anderen Ende
in der Regel in einer zentrischen Stütze fest angebracht. Im Inneren
des Rollkolbens kann eine Vorrichtung wie ein elastischer Puffer
und ein Anschlag vorgesehen sein, der beim Luftleerwerden oder starken
Einfedern des Rollbalges Stöße geeignet
aufnehmen kann.
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Der konische Dichtsitz wird von der
Wand des Abrollkolbens gebildet und weist in einer bevorzugten Ausführung über den
gesamten äußeren Umfang
verteilt eine umgebördelte äußerer Kante
auf, über
die der elastische Rollbalg unter Spannung zu streifen ist. Der
Abrollkolben ist aus einem Rohrabschnitt durch Drücken hergestellt,
wobei er durch diese Umformung konzentrisch im Bereich beider Rohröffnungen über den äußeren Umfang
verjüngt
ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der 1, die den Werkzeugträger (19)
darstellt, 2, die u.a.
Spannfutter (4), Dorn (17) und Hülse (18) darstellt
und 3, die einen nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Abrollkolben (16) zeigt, allgemein erläutert. Die
Erfindung ist aber nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. In 1 und 2 sind nur die für die Erfindung wesentlichen
Teile dargestellt.
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1 zeigt
den in axialer Richtung, d. h. parallel und senkrecht zur Spindelachse
(5) verfahrbaren Werkzeugträger (19) mit Drückrolle
(7) und Werkzeughalter (20) zur Montage eines
spanabtragenden Werkzeuges, hier eines schwenkbaren Drehstahls (8).
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Der Werkzeugträger (19) trägt die Drückrolle (7).
Die Drückrollenachse
(21) ist in der Regel parallel zur Spindelachse (5)
ausgerichtet, kann aber auch gegenüber der Spindelachse (5)
in unterschiedlichen Winkelpositionen durch entsprechende Verdrehung des
Werkzeugträgers
(19) und somit der Drückrollenachse
(21) gegen die Spindelachse (5) schwenkbar ausgestaltet
sein. Der Werkzeugkopf (22) trägt den Drehstahl (8)
und ist mit dem Werkzeughalter (20) lösbar verbunden.
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2 zeigt
den Aufbau zur Halterung des Werkstückes, das zwischen Hülse (17)
und Dorn (18) in dem Spannfutter (4) gehalten
ist. Um die rotierende Formrolle (6) sichtbar zu machen
ist das Werkstück
nicht dargestellt Das Spannfutter (4) wird durch ein Stützlager
(14), das den Dorn (18) aufnimmt, gegen die beim
Drücken
auftretenden beträchtlichen Winkelkräfte fixiert.
Das Spannfutter (4) steht über ein Distanzstück (23)
mittels dem Dorn (18) mit der Arbeitsspindel (nicht dargestellt)
in Wirkverbindung. Die Reitstockwelle (24) ist verfahrbar
ausgebildet und in 2 in
das Werkstück
(nicht dargestellt) mit der Formbuchse (6) eingefahren
dargestellt. Durch ein gestrichelte Linie ist die Arbeitsspindelachse
(5) angedeutet.
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Zur Verschiebung des Werkzeugträgers (19) in
axialer Richtung, d. h. parallel zur Spindelachse, und senkrecht
zur Spindelache ist dieser mit nicht dargestellten Vorschubmotoren
versehen. Weiterhin ist der Drehstahl (8) entlang der Drehstahlachse
(25) schwenkbar und mit – je nach Anforderung – mit der einen
(8) oder der anderen Seite (9) des Drehstahls mit
dem Werkstück
(2) in Eingriff bringbar.
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Durch diese Ausgestaltung ist ein
automatisches Drücken
und Spanen des Werkstückes
(2) möglich,
ohne dass das Werkstück
erneut ggf. in eine andere Maschine eingespannt werden müsste.
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3 zeigt
einen aus einem Rohrabschnitt nach dem erfindungsgemäßen hergestellten
Abrollkolben (16). Der Kreisdurchmesser des Abrollkolbens
entspricht dem Kreisdurchmesser des Rohrabschnitts im Bereich der
Position (A), ist aber ist durch Drücken im Bereich beider Rohröffnungen
(3) über den äußeren Umfang
konzentrisch verjüngt
(26) und weist über
den gesamten äußeren Umfang
verteilt an einer Rohröffnung
eine gekräpfte/umgebördelte äußerer Kante
(27) und riefenförmige
Ausnehmungen (28) auf. Die Außenflächen (11) und die
Innenflächen (12)
des Werkstückes
(2) sind im Bereich der Rohröffnungen (3) spanabtragend
bearbeitet.