DE10341716B4

DE10341716B4 - Vorrichtung zum radialen Umformen von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken

Info

Publication number: DE10341716B4
Application number: DE10341716A
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Siegert; Alexander Dr.-Ing. Felde; Se-Young Oh
Original assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Current assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: DE10341716A1

Abstract

Vorrichtung zum radialen Umformen von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken (W), mit in einer Werkzeughalterung (4) im Winkelabstand voneinander um die Längsachse (x) des Werkstücks (W) angeordneten Werkzeugen (5), die in eine orthogonal zur Längsachse (x) des Werkstücks (W) wirkende, oszillierende Radialbewegung versetzbar sind, wobei die oszillierende Radialbewegung durch eine Beaufschlagung der Werkzeuge (5) mit Ultraschall erzielt wird, und die Länge (l) der Werkzeuge (5) der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, wobei sich die Fixierung der Werkzeuge (5) an der Werkzeughalterung (4) in einem Schwingungsknoten (K) der Ultraschallschwingung befindet, jedes der Werkzeuge (5) mit einem Ultraschall-Erreger (6) verbunden ist und sich die Fixierung der Werkzeuge (5) an den Ultraschall-Erregern (6) in einem Maximum (M) der Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum radialen Umformen von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken, mit in einer Werkzeughalterung im Winkelabstand voneinander um die Längsachse des Werkstücks angeordneten Werkzeugen, die in eine orthogonal zur Längsachse des Werkstücks wirkende, oszillierende Radialbewegung versetzbar sind. Im Bereich der Fertigungstechnik werden zunehmend konventionelle zerspanende Fertigungsprozesse durch umformtechnische Verfahren ersetzt. Gründe hierfür sind steigende Ansprüche an Oberflächenbeschaffenheit und Umformgrad sowie die Erzielung einer kürzeren Bearbeitungszeit und einer umweltschonenderen Bearbeitung. Das bekannte Umformverfahren des Rundknetens genügt diesen Ansprüchen in hohem Maße. Es ist ein spanloses Umformverfahren zum Reduzieren des Querschnittes von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken. Die eingesetzten Rundknetmaschinen weisen Werkzeuganordnungen auf, die mehrere im Winkelabstand voneinander um die Längsachse des Werkstücks angeordnete Werkzeuge besitzen. Diese Werkzeuge führen in schneller Folge radiale Auf- und Abwärtsbewegungen durch, wobei die Kraft unmittelbar auf den Werkstückumfang aufgebracht wird. Bei jeder Abwärtsbewegung wird ein Teil des zugeführten Werkstücks umgeformt. Zwischen Werkzeugen und Werkstück findet dabei eine relative Drehbewegung statt, die entweder durch umlaufende Werkzeuge und ein ruhendes Werkstück oder durch Werkzeuge ohne umlaufende Bewegung und ein sich drehendes Werkstück bewirkt wird. Bei diesem inkrementellen Umformverfahren des Rundknetens findet eine Reduzierung des Querschnittes von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken in vielen kleinen Einzelschritten statt. Dabei können hohe Umformgrade ohne Wärmebehandlung sowie eine umweltschonende Bearbeitung – die Werkstücke bedürfen keiner Schmierstoffträgerschicht – erzielt werden. Die oszillierende Radialbewegung der Werkzeuge wird üblicherweise durch unterschiedliche mechanische Antriebsanordnungen, wie z. B. Exzenterhubantrieb oder Rollenhubantrieb bewirkt.
Beim Exzenterhubantrieb sind Exzenterwellen in dem das Werkstück umgebenden Gehäuse angeordnet. Die Exzenterwellen wirken bei Drehung entsprechend ihrer Exzentrizität auf die vorhandenen Werkzeuganordnungen, insbesondere auf dort befindliche Stößel ein. Diese wiederum sind Werkzeugen zugeordnet, die den Hub auf das Werkstück übertragen.
Derartige Rundknetmaschinen werden beispielsweise in den Druckschriften DE 199 54 210 A1 und EP 0 919 310 A1 beschrieben.
Beim Rollenhubantrieb zeigt die Werkzeuganordnung eine Rollenbahn, die um die Längsachse des Werkstücks angeordnet ist. In der Rollenbahn befindet sich ein Käfig, in dem Rollen geführt sind. Jeder der in der Werkzeuganordnung ebenfalls vorhandenen Stößel weist einen in die Rollenbahn überstehenden Kopf auf, welcher beim Überrollen einer Rolle eine Hubbewegung in Richtung der Längsachse des Werkstücks auf den Stößel und das Werkzeug macht. Nachdem die Rollen die Köpfe der Stößel passiert haben, werden die Werkzeuganordnungen im rotierenden Betrieb der Rundknetmaschine von der Fliehkraft in die Ruhelage radial nach außen gezogen oder durch die Federkraft einer Rückholfeder zurückgeholt.
Derartige Rundknetmaschinen werden beispielsweise in den Druckschriften EP 0 476 350 A1 und DE 198 09 674 A1 beschrieben. Aus dem hier aufgezeigten Stand der Technik ist ersichtlich, dass der Aufbau dieser für die Hubbewegung der Werkzeuge zuständigen Vorrichtungen relativ kompliziert und aufwändig ist. Außerdem hat es sich gezeigt, dass sowohl der Hub als auch die Kraftübertragung der einzelnen Werkzeuge auf das Werkstück innerhalb der Werkzeuganordnung aufgrund unterschiedlicher Reibungsverhältnisse variiert. Dadurch bedingt können an den Berührungsflächen der Werkzeuge abnutzungsbedingte Unterschiede auftreten. Diese wiederum führen zu Differenzen zwischen den einzelnen, radial auf das Werkstück wirkenden Kräften der Werkzeuge. Das schließlich führt zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung und zu mangelhafter Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum radialen Umformen von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken zu schaffen, die bei einfachem konstruktiven Aufbau eine große Genauigkeit bei der Bearbeitung und eine Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den untergeordneten Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung Werkzeuge auf, die in einer Werkzeughalterung im Winkelabstand voneinander um die Längsachse des Werkstücks angeordnet sind und die in eine, orthogonal zur Längsachse des Werkstücks wirkende, oszillierende Radialbewegung versetzbar sind, wobei die oszillierende Radialbewegung durch eine Beaufschlagung der Werkzeuge mit Ultraschall erzielt wird.
Dabei ist jedes der Werkzeuge mit einem Ultraschall-Erreger verbunden. Die Länge der Werkzeuge entspricht der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung oder einem ganzzahligen Vielfachen davon.
Die Fixierung der Werkzeuge an der Werkzeughalterung befindet sich dabei in einem Schwingungsknoten der Ultraschallschwingung. Die Fixierung der Werkzeuge an den Ultraschall-Erregern befindet sich in einem Maximum der Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung. Die Werkzeuge weisen annähernd in ihrer Mitte einen radial umlaufenden Flansch auf, über den sie an der Werkzeughalterung lagefixiert sind.
Die Werkzeughalterung besitzt im Winkelabstand voneinander angeordnete, der Aufnahme der Werkzeuge dienende Bohrungen, die von der Umfangsfläche der Werkzeughalterung radial zu deren Zentrum gerichtet sind und dort in eine Öffnung münden, durch deren Mitte die Längsachse des Werkstücks orthogonal zu den Bohrungen verläuft. Die Bohrungen weisen an der Umfangsfläche der Werkzeughalterung eine Durchmessererweiterung auf, die der lagefixierten Aufnahme des Flansches der Werkzeuge dient.
Der an der Werkzeughalterung befestigbare Flansch ist in einem zylindrischen Abschnitt des Werkzeuges angeordnet, der in Richtung des Ultraschall-Erregers in einen sich verjüngenden konischen Abschnitt übergeht, an den sich das zu befestigende Ende des Werkzeuges anschließt.
Die Werkzeughalterung ist auf einem ortsfesten Ständer befestigt. Es ist eine das Werkstück entlang der Längsachse bewegende Vorschubeinrichtung vorgesehen, die einen das Werkstück in eine Rotationsbewegung versetzenden Drehkopf besitzt.
Die Vorschubeinrichtung und der die Werkzeughalterung aufnehmende Ständer sind dabei auf einer gemeinsamen Montageplatte angeordnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a: eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
1b: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
1c: eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2: eine vergrößerte Darstellung der 1b mit einem Teilschnitt
3: die Werkzeughalterung nach 2 ohne Werkzeuge
4a und 4b: eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Werkzeugs
5: die am Werkzeug wirkende Schwingungskurve der Ultraschallschwingung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine – vorzugsweise manuelle – Vorschubeinrichtung 1 und einen Ständer 2 auf, die beide auf einer Montageplatte 3 befestigt sind. Mittels der Vorschubeinrichtung 1 wird ein Werkstück W (im Beispiel stabförmig ausgebildet) entlang seiner Längsachse x in Richtung einer Werkzeughalterung 4 bewegt, die auf dem Ständer 2 angeordnet ist. Die Werkzeughalterung 4 weist drei im Winkelabstand von 120° angeordnete, von der Umfangsfläche u radial zum Zentrum der Werkzeughalterung 4 verlaufende Bohrungen 4.1 auf, die der Aufnahme von Werkzeugen 5 dienen. Im Zentrum der Werkzeughalterung 4 befindet sich eine kreisförmige Öffnung 4.2, in die die Bohrungen 4.1 münden. Durch die Mitte der Öffnung 4.2 verläuft die Längsachse x des Werkstücks W orthogonal zu den Bohrungen 4.1 bzw. den dort befindlichen Werkzeugen 5. Im Ausführungsbeispiel ist die Werkzeughalterung 4 für die Aufnahme von drei Werkzeugen 5 ausgebildet. Möglich ist aber auch eine Ausführung der Werkzeughalterung 4 zur Aufnahme von zwei oder mehr als drei Werkzeugen 5, die ebenso im Winkelabstand zueinander um die Längsachse x des Werkstücks W angeordnet sind. Jedes Werkzeug 5 ist mit seinem dem Werkstück W abgewandten Ende 5.1 an einem Ultraschall-Erreger 6 befestigt, während das andere, freie Ende 5.2 mit dem Werkstück W in und außer Kontakt bringbar ist. Die Länge l der Werkzeuge 5 beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge der Ultraschallschwingung oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Annähernd in ihrer Mitte weisen die Werkzeuge 5 einen radial umlaufenden Flansch 7 auf, über den eine Lagefixierung der Werkzeuge 5 an der Werkzeughalterung 4 erfolgt. Dabei wird der Flansch 7 von einer an dem der Umfangsfläche u der Werkzeughalterung 4 zugewandten Ende der Bohrung 4.1 ausgebildeten Durchmessererweiterung 4.3 aufgenommen. Die Lagefixierung der Werkzeuge 5 über die Flansche 7 an der Werkzeughalterung 4 befindet sich dabei in einem Schwingungsknoten K der auf die Werkzeuge 5 wirkenden Ultraschallschwingung, d. h. die Schwingungsamplitude ist gleich Null. Mittels einer an der Umfangsfläche u der Werkzeughalterung 4 befestigten, das Werkzeug 5 radial umschließenden Platte 8 wird der Flansch 7 in die Durchmessererweiterung 4.3 der Bohrung 4.1 gepresst und somit das Werkzeug 5 an der Werkzeughalterung 4 lagefixiert. Die Befestigung der Platte 8 an der Umfangsfläche u der Werkzeughalterung 4 kann mittels Befestigungselementen 9, wie Schrauben, erfolgen, die in Gewindebohrungen 4.4 der Werkzeughalterung 4 eingreifen. Der Flansch 7 befindet sich dabei auf einem zylindrischen Abschnitt 5.3 des Werkzeuges 5, an den sich außerhalb der Werkzeughalterung 4 in Richtung des Ultraschall-Erregers 6 ein sich verjüngender konischer Abschnitt 5.4 anschließt. Das darauf folgende Ende 5.1 des Werkzeuges 5 ist am Ultraschall-Erreger 6 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Der in den Bohrungen 4.1 befindliche Teil des zylindrischen Abschnitts 5.3 der Werkzeuge 5 geht in das mit dem Werkstück W in Kontakt tretende Ende 5.2 über. Sowohl das erregerseitige Ende 5.1 als auch das werkstückseitige Ende 5.2 des Werkzeuges 5 befinden sich in einem Maximum M der Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung (4 und 5).
Die Werkstückeinspannung der Vorschubeinrichtung 1 ist als Drehkopf 1.1 ausgebildet, wodurch zusätzlich zur Vorschubbewegung eine Rotationsbewegung des Werkstücks W möglich ist.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende:
Über die Ultraschall-Erreger 6 werden die Werkzeuge 5 mit Ultraschall beaufschlagt. Es kommt zu einer oszillierenden radialen, orthogonal zur Längsachse x des Werkstücks W gerichteten Hubbewegung der Werkzeuge 5, wobei deren mit dem Werkstück W in und außer Kontakt bringbaren Enden 5.2 eine Umformung des Werkstücks W bewirken.
Zusätzlich zu dieser erzeugten Ultraschallschwingung schwingen die Werkzeuge 5 mit einer Eigenfrequenz von etwa 20 kHz in longitudinaler Richtung, wodurch die in radialer Richtung auf das Werkstück W gerichtete oszillierende Hubbewegung der Werkzeuge 5 unterstützt wird.
In Abhängigkeit von dem Umformziel können eine Vorschubbewegung und eine Rotationsbewegung des Werkstücks W oder nur eine Vorschubbewegung ohne Rotation des Werkstücks W erfolgen. Bei dem erstgenannten Umformziel wird eine runde Querschnittsänderung, bei dem letzteren eine unrunde Querschnittsänderung des stabförmigen Werkstücks W erzielt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen insbesondere in ihrem einfachen konstruktiven Aufbau und der damit verwirklichten wirtschaftlichen Herstellung der Werkstücke. Die Vorrichtung weist die weiter oben beschriebenen Vorteile des Rundknetens auf und beseitigt die Nachteile der bekannten Vorrichtungen.
Durch die Umformung mittels Ultraschall wird eine gute Qualität der Oberflächenbeschaffenheit erzielt, da die Schwingungsamplituden der Ultraschallschwingung kaum Spuren auf der Oberfläche des Werkstücks hinterlassen. Zudem ermöglicht der Effekt des Ultraschalls eine Reduzierung der Vorschubkraft und der Reibungskräfte.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch schwer umformbare, spröde Werkstoffe umgeformt sowie höhere Umformgrade erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zum radialen Umformen von stab-, rohr- oder drahtförmigen Werkstücken (W), mit in einer Werkzeughalterung (4) im Winkelabstand voneinander um die Längsachse (x) des Werkstücks (W) angeordneten Werkzeugen (5), die in eine orthogonal zur Längsachse (x) des Werkstücks (W) wirkende, oszillierende Radialbewegung versetzbar sind, wobei die oszillierende Radialbewegung durch eine Beaufschlagung der Werkzeuge (5) mit Ultraschall erzielt wird, und die Länge (l) der Werkzeuge (5) der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, wobei sich die Fixierung der Werkzeuge (5) an der Werkzeughalterung (4) in einem Schwingungsknoten (K) der Ultraschallschwingung befindet, jedes der Werkzeuge (5) mit einem Ultraschall-Erreger (6) verbunden ist und sich die Fixierung der Werkzeuge (5) an den Ultraschall-Erregern (6) in einem Maximum (M) der Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung befindet.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (5) annähernd in ihrer Mitte einen radial umlaufenden Flansch (7) aufweisen, über den sie an der Werkzeughalterung (4) lagefixiert sind.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (4) im Winkelabstand voneinander angeordnete, der Aufnahme der Werkzeuge (5) dienende Bohrungen (4.1) besitzt, die von der Umfangsfläche (u) der Werkzeughalterung (4) radial zu deren Zentrum gerichtet sind und dort in eine Öffnung (4.2) münden, durch deren Mitte die Längsachse (x) des Werkstücks (W) orthogonal zu den Bohrungen (4.1) verläuft.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4.1) an der Umfangsfläche (u) der Werkzeughalterung (4) eine Durchmessererweiterung (4.3) aufweisen, die der lagefixierten Aufnahme des Flansches (7) der Werkzeuge (5) dient.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Werkzeughalterung (4) befestigbare Flansch (7) in einem zylindrischen Abschnitt (5.3) des Werkzeuges (5) angeordnet ist, der in Richtung des Ultraschall-Erregers (6) in einen sich verjüngenden konischen Abschnitt (5.4) übergeht, an den sich das zu befestigende Ende (5.1) des Werkzeuges (5) anschließt.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (4) auf einem ortsfesten Ständer (2) befestigt ist.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Werkstück (W) entlang der Längsachse (x) bewegende Vorschubeinrichtung (1) vorgesehen ist, die einen das Werkstück (W) in eine Rotationsbewegung versetzenden Drehkopf (1.1) besitzt.
Vorrichtung zum radialen Umformen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinrichtung (1) und der die Werkzeughalterung (4) aufnehmende Ständer (2) auf einer gemeinsamen Montageplatte (3) angeordnet sind.