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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 103 49
699.8 vom 24.10.2003 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Innenhochdruckumformen eines umfänglich
geschlossenen Hohlprofils bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist
ein Innenhochdruckumformwerkzeug mit einer Abdichtvorrichtung auf,
die einen Axialstempel mit einem in das Hohlprofil eintauchenden
Abschnitt zum Halten und Abdichten eines aus der Gravur des Umformwerkzeuges
herausragenden Endes des Hohlprofiles beinhaltet. Des Weiteren ist
eine Fluidhochdruckerzeugungsanlage zur Aufweitung des Hohlprofils
mittels fluidischem Innenhochdruck vorgesehen. Dadurch, dass ein
Außendurchmesser
des Axialstempels auf dem eintauchenden Abschnitt gleich dem Innendurchmesser des
Hohlprofilendes ist oder diesen geringfügig unterschreitet und dadurch
dass die Abdichtvorrichtung zumindest einen Spannbacken und ein
Presselement enthält,
das bei eingetauchtem Abschnitt des Axialstempels den Spannbacken
radial auf das Hohlprofilende presst, fixiert dieser das Hohlprofilende
lagebeständig.
Mittels dieser Maßnahmen
wird verhindert, dass der Hohlprofilrohling während des Innenhochdruckumformprozesses
vom Axialstempel abgezogen werden kann und somit dessen Abdichtwirkung
verringert oder gar aufgehoben wird. Da der Hohlprofilrohling beim
Umformen aufgrund des festen, axial unverrückbaren Haltes endseitig nicht
in die Gravur eingezogen werden kann, bleibt zudem einerseits die
ursprüngliche
Baulänge
des Hohlprofilrohlings von der Umformung unberührt und andererseits kann kein
Hohlprofilrohlingsmaterial vom Ende her in den Formraum nachfließen, so
dass insbesondere bei langen Umformstrecken an jeder Stelle des
Hohlprofilrohlings eine weitgehend gleichmäßige Wandstärkenverteilung erreicht werden
kann.
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Aus
der
DE 197 51 407
C1 ist eine Vorrichtung zum hydraulischen Abdichten eines
Hohlprofils bekannt. Die Vorrichtung weist ein Gesenk und eine Spann-
und Vorschubeinheit auf sowie mehrere das Hohlprofil verschließende Dichtelemente.
Im Bereich der Dichtstelle weist das aus zwei Gesenkhälften bestehende
Gesenk auf der Innenseite je eine über den Umfang radial nach
innen sich erstreckende abgerundete Auswölbung auf, wobei die Spann-
und Vorschubeinheit mit einem axial bewegbaren und in das Hohlprofil
mittels eines Zug-Druck-Elementes
einschiebbaren Dorn versehen ist. Dieser Dorn ist dabei in Bezug
auf das Gesenk so positioniert, dass die Auswölbungen des Gesenkes korrespondierend
zu einem entsprechend abgebildeten Abschnitt des Dorns liegen. Da
der Abstand vom Rohrende somit nicht begrenzt ist, ist die Abdichtung
an beliebiger Stelle im Werkzeug möglich.
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Aus
der
DE 38 20 952 C2 ist
eine Vorrichtung zum hydraulischen Aufweiten von an Stirnflächen an sich
offenen Hohlprofilen aus einem metallischen Werkstoff bekannt. Die
offenen Stirnseiten werden dabei mit starren Dichtköpfen verschlossen,
die die innere oder äußere Oberfläche des
Hohlprofiles zwar eng, aber mit Abstand umschließen. Ein dazwischen liegender
Dichtspalt wird in einem elastischen Dichtring abgedichtet, der
als Hohlkörper
ausgeführt
und mit Innendruck beaufschlagbar ist. Der Dichtring ist darüber hinaus
in der Weise in dem Dichtkopf gekammert, dass er sich in Folge des
Innendrucks nur in Richtung auf die Außen- bzw. Innenoberfläche des abzudichtenden
Hohlprofils ausdehnen kann und auf dieser zur dichten Anlage kommt.
Die Kammerung des Dichtringes bewirkt also, dass das elastische
Material nicht seitlich ausweichen kann. Da darüber hinaus im Dichtspalt auch
der hydraulische Aufweitedruck ansteht, ist vorgesehen, den Innendruck
im Dichtring stets soweit über
diesem Aufweitedruck zu halten, dass der Anpressdruck des Dichtringes
auf der Oberfläche
des Hohlprofils immer über
dem Aufweitedruck liegt und so eine sichere Abdichtung gewährleistet
ist.
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Aus
der
DE 197 33 473
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
einer Anbindung eines hohlzylindrischen λ-Sondenhalters an ein mit einer Öffnung zur
Beaufschlagung der im Halter befestigten λ-Sonde mit Abgas versehenes
Abgasrohr bekannt. Das Verfahren nutzt dabei zur Anbindung des λ-Sondenhalters die
Innenhochdrucktechnik. Dabei wird in einfacher Weise das Abgasrohr
mittels Innenhochdruck an der Stelle, an der die zukünftige Anlagefläche des
Halters vorgesehen ist, bezüglich
der Anlagekontur der Mantelfläche
des Halters konturgetreu, an diese angepasst. Die Anbindung des
Halters mit seiner Mantelfläche
an das Abgasrohr erspart Bauraum, wobei der Halter an dieser Stelle
in gewissem Umfang quasi in das Abgasrohr zumindest jedoch in die
Rohrwandung versenkt gelegen ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen eingangs erwähnter Art
eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, welche insbesondere ein sicheres Halten und Abdichten
der Halbzeugenden des Hohlprofils gewährleistet und gleichzeitig
ein Herstellen von innenhochdruckumgeformten Bauteilen hoher Qualität ermöglicht.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Vorrichtung
zum Innenhochdruckumformen eines Hohlprofils, welche eine Abdichtvorrichtung
zum Halten und Abdichten eines aus einer Gravur des Umformwerkzeuges
herausragenden Endes des Hohlprofiles aufweist, einen Stellantrieb
vorzusehen, der einen Klemmbacken zu dessen Verstellung ausschließlich radial
zur Hohlprofilachse antreibt und dadurch den Klemmbacken derart
von außen
auf das Hohlprofilende presst, dass dieses lagebeständig fixiert
wird. Auf diese Weise kann ein verbessertes Abdichten und Halten
des Hohlprofilendes erzielt werden. Der Anpresskraft entgegen wirkt dabei
ein in das Hohlprofil eintauchender Abschnitt eines Axialstempels,
welcher Teil der Abdichtungsvorrichtung ist und welcher das Hohlprofilende
von innen gegen den von außen
pressenden Klemmbacken abstützt.
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Durch
den Stellantrieb wird ein Verklemmen und damit ein Haltern bzw.
Abdichten des Hohlprofilendes bereits vor dem eigentlichen Umformvorgang bewirkt,
so dass der Hohlprofilrohling bei geöffnetem Umformwerkzeug in dieses
verfahren werden kann und dadurch eventuelle Beschädigungen
einer Oberfläche
des Hohlprofilrohlings vermieden oder zumindest reduziert werden
können.
Gleichzeitig wird der Hohlprofilrohling durch die Anpressung an
den Axialstempel mittels des von außen radial angreifenden Klemmbackens
während
des gesamten Herstellungsvorganges sicher gehalten. Es wird dadurch verhindert,
dass der Hohlprofilrohling während
des Innenhochdruckumformprozesses vom Axialstempel abgezogen werden
kann und sich dadurch dessen Abdichtwirkung verringert oder gar
aufhebt.
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Da
der Hohlprofilrohling nicht in die Gravur bzw. Matrize eingezogen
werden kann, bleibt einerseits die ursprüngliche Baulänge des
Hohlprofilrohlings von der Umformung unberührt und andererseits kann kein
Hohlprofilrohlingsmaterial vom Ende her in den Formraum nachfließen, so
dass insbesondere bei langen Umformstrecken an jeder Stelle des
Hohlprofilrohlings eine weitgehend gleichmäßige Wandstärkenverteilung vorherrscht.
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Durch
die weitgehend gleichmäßige Wandstärkenverteilung
ist auch ein problemloses Herstellen einer Bauteilschlange ge währleistet,
aus der nach erfolgter Umformung in einem anschließenden Trennprozess
mehrere gleichgestaltete Einzelbauteile erzeugt werden, welche aufgrund
der gleichmäßigen Wandstärkenverteilung
gleiche oder zumindest ähnliche
Funktionseigenschaften aufweisen.
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Da
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung das
Hohlprofilende in seiner Form nicht durch eine Aufweitung geändert wird
und auch zumindest der Innendurchmesser erhalten bleibt, kann ein
nachträglicher
Endenbeschnitt entfallen, was Prozesszeit einspart und die Kosten
für den
gesamten Herstellungsprozess reduziert.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an einer dem Hohlprofilende
zugewandten Seite des Klemmbackens zumindest eine Ringzacke angeordnet.
Durch den dadurch erreichten Formschluss wird nicht nur ein Halt
des Hohlprofilendes zwischen dem Klemmbacken und dem Axialstempel
verstärkt,
sondern es wird auch der axiale Stofffluss innerhalb des Hohlprofilendes
unterbrochen, was ein Kriechen des Hohlprofils an seinem Ende in
Richtung der Umformwerkzeuggravur verhindert. Daraus resultiert,
dass geringere Anpresskräfte
aufgewendet werden müssen, um
der Einziehung, die bei der Innenhochdruckumformung verursacht wird,
ausreichend Widerstand entgegen zu setzen.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stellantrieb
wenigstens einen Hydraulikzylinder oder ist durch wenigstens einen
Hydraulikzylinder gebildet. Hierdurch kann der Klemmbacken hydraulisch
und damit kraftvoll und präzises
auf das Hohlprofilende gepresst werden. Gleichzeitig stellen Hydraulikzylinder
eine langjährig
erprobte und dadurch zuverlässige
Antriebstechnik dar, so dass der Stellantrieb hinsichtlich des Betriebes
bzw. der Wartung kostengünstig
realisiert werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ermöglicht
der Stellantrieb ein Verstellen des Klemmbackens bei geöffnetem
Umformwerkzeug. Das Umformwerkzeug kann beispielsweise aus wenigstens
zwei zueinander verstellbaren Gesenkteilen gebildet sein, welche
in geschlossenem Zustand die Gravur bilden. Durch die Verstellmöglichkeit
des Klemmbackens bei geöffnetem
Umformwerkzeug ist ein Verfahren des Hohlprofilrohlings in das Umformwerkzeug
möglich,
ohne dass hierbei eine Gefahr der Beschädigung der Oberfläche des Hohlprofilrohlings
besteht, da die beiden Gesenkteile weit außerhalb einer Bewegungsbahn
des Hohlprofilrohlings liegen. Durch das Vermeiden bzw. Reduzieren
von Oberflächenbeschädigungen
können
besonders hohe Qualitätsanforderungen
erfüllt
werden.
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Zweckmäßig können die
Gesenkteile des Umformwerkzeugs verstellt werden, während der Klemmbacken
das Hohlprofilende fixiert. Hieraus ergibt sich ein Verfahrensvorteil,
da die Gesenkteile erst unmittelbar vor dem Innenhochdruckumformprozess
auf den Hohlprofilrohling verfahren werden müssen und dadurch eine vorherige
Beschädigung der
Oberfläche
des Hohlprofilrohlings durch eine Matrizenanlagefläche vermieden
werden kann. Gleichzeitig wird hierdurch ein vorprofilierungsbedingtes Einziehen
des Hohlprofilrohlingsendes für
den Fall verhindert, dass der Hohlprofilrohling aus der Schließbewegung
des Umformwerkzeuges heraus durch ein Gesenkteil gequetscht und
damit vorprofiliert werden soll.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Innendruckumformen in einer Ausgangsstellung,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch mit einem an ein Hohlprofilende
angelegten Axialstempel,
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3 eine
Darstellung wie in 2, jedoch mit einem von außen auf
das Hohlprofilende gepressten Klemmbacken,
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4 eine
Darstellung wie in 3, jedoch bei geschlossenem
Umformwerkzeug.
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Entsprechend 1 weist
eine Vorrichtung 10 zum Innenhochdruckumformen eines Hohlprofiles 5 eine
Matrize 1, einen daran angeordneten und verstellbar gelagerten
Klemmbacken 3 sowie einen Axialstempel 4 auf.
Die Matrize 1 ist dabei Teil eines nicht näher erläuterten
Umformwerkzeuges, in welchem das Hohlprofil 5 durch Innenhochdruck
aufgeweitet und entsprechend einer Gravur 16 umgeformt wird.
Der Klemmbacken 3 sowie der Axialstempel 4 sind
Teil einer Abdichtvorrichtung 11, welche zum Halten und
Abdichten eines aus der Gravur 16 bzw. Matrize 1 des
Umformwerkzeuges herausragenden Endes 12 des Hohlprofiles 5 dient.
Der Axialstempel 4 weist an einem dem Hohlprofilende 12 zugewandten
Ende einen eintauchenden Abschnitt 6 (Dichtbereich) auf,
mit welchem der Axialstempel 4 in das Hohlprofil 5 eintaucht.
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Generell
ist gemäß den 1 bis 4 jeweils
nur ein Teil, beispielsweise in den 1 und 3 ein
oberer Teil und in den 2 und 4 ein unterer
Teil der Vorrichtung 10 gezeigt.
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Der
Axialstempel 4 erweitert sich von seinem eintauchenden
Abschnitt 6 zum restlichen Stempelkörper hin stufig unter Ausbildung
eines nicht näher bezeichneten
Absatzes, mittels dem der Axialstempel 4 am Hohlprofilende 12 unter
Einnahme der Gebrauchsstellung anschlägt. Der eintauchende Abschnitt 6 des
Axialstempels 4 ist dabei derart bemessen, dass er in der
Gebrauchsstellung (vgl. 2 bis 4) auf einer
bestimmten Erstreckungslänge
im Umformwerkzeug zu liegen kommt. Durch die dadurch erzielte Lagerung
bleibt der Axialstempel 4 zentriert ausgerichtet, was die
Beständigkeit
einer Abdichtfunktion begünstigt.
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Im
Axialstempel 4 verläuft
zumindest ein axialer Wirkmedienkanal 7, der einerseits
mit einer nicht dargestellten Fluidhochdruckerzeugungsanlage verbunden
ist und andererseits an einer Stirnseite 13 des Axialstempels 4 ausmündet. Günstigerweise
ist ein Außendurchmesser
des Axialstempels 4 auf dem eintauchenden Abschnitt 6 so
bemessen, dass er dem Innendurchmesser des Hohlprofilendes 12 entspricht
oder diesen geringfügig
unterschreitet, so dass der Abschnitt 6 spielfrei, jedoch
ohne plastische Aufweitung des Hohlprofilendes 12, oder
mit geringer Spiel im Hohlprofilende 12 zu liegen kommt.
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Gemäß 1 weist
die Abdichtvorrichtung 11 zumindest eine Klemmbacke 3 auf,
die Bestandteil des Umformwerkzeuges ist und die an der Außenseite
des Umformwerkzeugs radial zur Hohlprofilachse verschiebbar gelagert
ist. An einer dem Hohlprofilende 12 zugewandten Stirnseite
der Klemmbacke 3 ist zumindest eine Ringzacke 2 vorgesehen,
welche beim Anpressen der Klemmbacke 3 auf das auf dem eintauchenden
Abschnitt 6 aufliegende Hohlprofilende 12 dieses
einkerbt und fixiert. Die durch die Ringzacke 2 erzeugte
Kerbe kann beispielsweise bei der Weiterverwendung des Hohlprofils 5 bei
einem Fügevor gang
mit anderen Bauteilen in vorteilhafter Weise genutzt werden.
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Erfindungsgemäß ist zur
Betätigung
der Klemmbacke 3 ein Stellantrieb 14 vorgesehen
(vgl. 3 und 4), der den Klemmbacken 3 zu
dessen Verstellung ausschließlich
radial zur Hohlprofilachse antreibt. Der Stellantrieb 14 kann
dabei durch wenigsten einen Hydraulikzylinder gebildet sein oder wenigstens
einen Hydraulikzylinder umfassen. Alternativ ist auch denkbar, dass
der Stellantrieb 14 durch wenigstens einen Elektromotor
gebildet ist oder wenigstens einen Elektromotor umfasst.
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Generell
weist die Vorrichtung 2 zumindest zwei zueinander verstellbare
Gesenkteile 15, beispielsweise ein oberes Gesenkteil 15' und ein unteres
Gesenkteil 15'', auf, welche
unabhängig
von der Klemmbacke 3 aufeinander zu bzw. voneinander weg
verstellt werden können.
Gemäß den 1 bis 3 ist
gezeigt, dass der Stellantrieb 14 ein Verstellen des Klemmbackens 3 bei
geöffnetem
Umformwerkzeug ermöglicht.
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Um
eine voneinander unabhängige
Verstellbewegung des Klemmbackens 3 von dem Gesenkteil 15 zu
ermöglichen,
kann sich beispielsweise der Klemmbacken 3 gemäß 3 am
Umformwerkzeug, das heißt
am Gesenkteil 15',
abstützen,
während sich
das Gesenkteil 15' an
einem Fundament 9 abstützt.
Denkbar ist aber auch, dass sich gemäß 4 sowohl
der Klemmbacken 3 als auch das Gesenkteil 15' des Umformwerkzeugs
unabhängig
voneinander am Fundament 9 abstützen.
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Prinzipiell
ist denkbar, dass die Klemmbacken 3 axial mitgeführt werden.
Dadurch ist eine kontrollierbare und/oder steuerbare Materialnachführung während des
Umformprozesses gewährleistet,
wodurch die Qualität
des hergestellten Hohlprofils 5 gesteigert werden kann.
Die Mitführung
der Klemmbacken 3 kann dabei entweder passiv erfolgen oder über einen
nicht dargestellten, beispielsweise kraftgesteuerten, Stel lantrieb,
welcher eine Relativverstellung der Klemmbacken 3 bezüglich der
Gesenkteile 15 axial zum Hohlprofil 5 ermöglicht.
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Im
folgenden soll kurz der Verfahrensablauf während des Klemm- bzw. Innenhochdruckumformprozesses
erläutert
werden:
Am Verfahrensbeginn wird das Hohlprofil 5 in
das untere Gesenkteil 15'' des Umformwerkzeuges
eingelegt, woraufhin der Abschnitt 6 des Axialstempels 4 gemäß 1 entlang
der Bewegungsrichtung 8 in beide Enden, hier in das Ende 12 des
Hohlprofiles 5, eingeschoben wird, bis dessen Absatz am
Hohlprofilende 12 anschlägt. Alternativ ist denkbar,
dass der eintauchende Abschnitt 6 vorab in das Hohlprofil 5 eingeschoben
wird und dieses daraufhin zwischen die beiden Gesenkteile 15' und 15'' verschoben wird.
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Danach
wird in einem zweiten Verfahrensschritt gemäß 2 der Klemmbacken 3 mittels
des Stellantriebes 14 radial von außen auf das Hohlprofilende 12 gepresst
und dadurch dieses lagebeständig am
eintauchenden Abschnitt 6 des Axialstempels 4 fixiert.
Durch die Bewegung der Klemmbacke 3 in Richtung der Bewegungsrichtung 8' auf das Hohlprofilende 12 zu,
wird dieses durch die von dem Stellantrieb 14 ausgeübte Presskraft
durch die Ringzacke 2 eingekerbt. Generell ist denkbar,
dass der Stellantrieb 14 zum Verstellen der Gesenkteile 15' und 15'' bzw. der Klemmbacken 3 als
hydraulischer oder als elektromechanischer Stellantrieb ausgebildet
ist.
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Die
gemäß den 1 bis 4 gezeigte Ausführungsform
der Ringzacke 2 stellt dabei lediglich eine mögliche Variante
dar, wobei auch Klemmbacken 3 ohne Ringzacken 2 denkbar
sind. In diesem Fall wird die Klemmbacke 3 unter Ausbildung
einer Pressanpassung reibschlüssig
mit dem Hohlprofilende 12 verbunden und dadurch abgedichtet.
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Gemäß 3 ist
der Klemmvorgang und damit der Abdichtvorgang durch das radial Anpressen des
Klemmbackens 3 an das Hohlprofilende 12 abgeschlossen
und das Hohlprofil 5 lagebeständig in der Vorrichtung 10 fixiert.
Nunmehr erfolgt durch den Stellantrieb 14' ein Verstellen des Gesenkteils 15' in Bewegungsrichtung 8''auf das Hohlprofil 5 zu.
Denkbar ist hierbei, dass entweder nur das obere Gesenkteil 15' oder aber das
obere sowie das untere Gesenkteil 15', 15'' eine
Schließbewegung
ausführen. Das
Aufeinanderzuverstellen der beiden Gesenkteile 15' und 15'' erfolgt solange, bis die beiden
Gesenkteile 15', 15'' außerhalb der Gravur 9 auf
dem Hohlprofil 5 zu liegen kommen. Die Gesenkteile 15' und 15'' werden dabei verstellt, während der
Klemmbacken 3 das Hohlprofilende 12 fixiert. Durch
die Klemmwirkung der Klemmbacken 3 wird ein Einziehen des
Hohlprofilendes 12 durch das obere Gesenkteil 15' bei der Schließbewegung
in die Gravur 16 verhindert.
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Gemäß 4 ist
nun der Schließvorgang des
Umformwerkzeuges abgeschlossen, so dass das Hohlprofil 5 mittels
der nicht dargestellten Fluidhochdruckerzeugungsanlage mit einem
Druckfluid über
den zumindest einen Wirkmedienkanal 7 befüllt werden
kann. Danach wird das Druckfluid auf einen Innenhochdruck gespannt,
wodurch sich das Hohlprofil 5 aufweitet und sich an eine
Innenwandung der Gravur 16 konturentreu anlegt. Während der
Aufweitung verhindern die Klemmbacken 3 einen Einzug des
Hohlprofilendes 12 in die Gravur 16 und Dichten gleichzeitig
das Hohlprofilende 12 ab. Nach erfolgtem Innenhochdruckumformen
werden zunächst
die Gesenkteile 15' und 15'' und danach die Klemmbacken 3 zurückverfahren
bzw. geöffnet,
so dass das fertig umgeformte Hohlprofil 5 durch ein Zurückfahren
des Axialstempels 4 entnommen werden kann.