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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Umformung von Werkstücken in
Form eines Hohlkörpers
mit rotationssymmetrische Öffnung nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung
dieser Hohlkörper.
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Werkzeugmaschinen
unterschiedlichster Art für
umformende oder spanabtragende Bearbeitung von Werkstücken sind
in vielfältigen
Ausgestaltungen bekannt. So gibt es insbesondere Werkzeugmaschinen
die als Drückmaschinen
und solche, die als Drehmaschinen ausgebildet sind. In der Praxis
werden spanabtragende und spanlose Umformungen an unterschiedlichen
Werkzeugmaschinen, nämlich Drückmaschinen
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 Drückmaschine 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
im Bereich der inneren Oberfläche
der Werkstücköffnung sowie ggf.
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 wird 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,
- – spanabtragende
Umformung an der radial nach innen weisenden Oberfläche des
durch Drücken umgeformten
Werkstückbereichs,
sowie ggf.
- – spanabtragende
Umformung an der radial nach außen
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 Abstechens) 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 innen weisenden 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. B. 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 Drü ckwerkzeug
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.