DE1552100C - Vorrichtung zum Hochenergieumformen von metallischen Werkstucken mit einem Flüssigkeitsstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung · zum Hochenergieumformen von gegenüber einem Formhohlraum, einer Stanzöffnung od. dgl. angeordneten metallischen Werkstücken mit einem Flüssigkeitsstrahl, bestehend aus einer mit Druckflüssigkeit gefüllten Druckkammer, einem gleitend und. flüssigkeitsdicht in einem zylindrischen Teil der Kammer geführten Plunger, einer Staudüse mit einem verengten .Durchlaß für den Austritt des Flüssigkeitsstrahls bei Schlagbelastung des Plungers und einem das umzuformende Werkstück vor der Austrittsöffnung der Staudüse aufnehmenden Formwerkzeug.

Derartige Vorrichtungen sind aus der USA.-Patentschrift 1766 700 und ,der britischen Patentschrift 982 808 bekannt; sie werden zur Herstellung von Hohlkörpern durch Anwendung hoher hydraulischer Drücke, beispielsweise zum Aufweiten eines Metallrohres, angewandt. Wegen des benutzten statischen hydraulischen Druckes müssen die Vorrichtungen sehr stabil gebaut sein und sind daher unförmig und teuer, während ihr Wirkungsgrad im allgemeinen entsprechend geringer ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die abgedichtete Druckkammer der Vorrichtung Dichtungen erfordert, die eine vielseitige Funktion zur Vermeidung des Austritts der Hochdruckflüssigkeit erfüllen. Darüber hinaus sind diese bekannten Vorrichtungen im wesentlichen auf die Verformung von in bestimmter Weise vorgeformten Werkstücken begrenzt, die zudem aus einem duktilen Werkstoff bestehen müssen. .

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesentlichen darin, eine Vorrichtung zum Metallverformen, beispielsweise zum Prägen, Tiefziehen, Stanzen, Biegen od. dgl. zu schaffen, die mit dynamischen Stoßwellen eines Flüssigkeitsstrahles arbeitet und keine druckdichte Kammer für das Umformen des zu bearbeitenden Werkstückes erfordert, so daß das Umformen gegebenenfalls auch in einer offenen Kammer einfacher Konstruktion erfolgen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Staudüse ausgerüstet, deren Durchlaßquerschnitt sich bis zur Austrittsöffnung stetig verengt. ,· ■■ . .

Eine weitere Verbesserung der erfi'ndungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Anordnung eines Zwischenkörpers in dem Durchlaß zwischen Druckkammer und Staudüsenaustrittsöffnung erzielt, wobei der Zwischenkörper aus einem Werkstoff besteht, in dem sich die Druckwellen mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreiten als in der Druckflüssigkeit.

Vorrichtung nach der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise sind der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine Staudüse einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung der Staudüse nach der Erfindung und

F i g. 4 die Ausbildung der Stoßwellen an verschiedenen Stellen der Staudüse nach F i g. 3.

Die hydraulische Druckkammer 1 besitzt einen zylindrischen Teil 2, in dem ein von einem Dichtungsring 4 umgebener Plunger 3 angeordnet ist. Der Plunger 3 befindet sich in seiner Ausgangsstellung, in der er mit einer Stoßkraft F beispielsweise durch einen Schlagstempel beaufschlagt werden kann, um eine in der Druckkammer 1 befindliche Druckflüssigkeit, beispielsweise Wasser, zu komprimieren.

Der Durchlaß 20 der Staudüse, der mit dem Druckwasser -der«Druckkammer 1"gefüllt ist, weist eine konische Form auf, so daß sein Querschnitt stetig von der Kammerseite B zur Öffnung A abnimmt, die in die Form 21 einmündet. Dabei kann der Durchlaß einen kreisförmigen oder polygonen Querschnitt besitzen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist nur eine Öffnung A vorgesehen, wenngleich auch entsprechend F i g. 2 mehrere solcher Öffnungen vorgesehen sein können.

In der Form 21 ist ein zu verformendes Metallrohr 22 untergebracht. Dichtungsringe 23 verhindern den Austritt von Druckwasser, und Entlüftungsbohrungen 24 verbinden das Innere der Form 21 mit der Atmosphäre. Mit einer Schraube 25 ist eine Saugöffnung verschlossen, über die im Druckwasser enthaltene Luftblasen vor Beginn der Verformung abgesaugt werden können.

Das Verformen mit Hilfe des aus der Staudüse herausschießenden Wasserstrahls geschieht folgendermaßen: Der vom Plunger 3 auf die Druckflüssigkeit übertragene Impuls wird durch das Wasser in Form von Stoßwellen hohen Drucks übertragen, wobei der Wasserdruck momentan ansteigt. Dabei ist das Produkt der aus der Staudüse herausschießenden Wassermenge und des Drucks des Wasserstrahls der auf das Wasser übertragenen Schlagenergie nahezu proportional, während die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Staudüse herausschießenden Wasserstrahls nach der Bernoullischen Gleichung nahezu der Quadratwurzel des Wasserdrucks entspricht. Wenn eine bestimmte Menge des Wasserstrahls bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit auf einen Körper auftrifft, dann ist die auf den Körper wirkende Kraft des Wasserstrahls dem Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Menge proportional. Demzufolge wird ein solcher Körper, wenn die auf ihn wirkende Kraft seine Streckgrenze, übersteigt, seine Form verändern.

. Die durch den Plunger 3 erzeugten Stoßwellen wandern von B nach A durch den Durchlaß 20 mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die von der Dichte und Kompressibilität der Druckflüssigkeit abhängt und beispielsweise für Wasser 1500 m/sec beträgt. Setzt man voraus, daß während der Ausbreitung der Stoßwellen von B nach A durch den Durchlaß 20 keine Energieverluste auftreten, dann sind die Gesamt-. energien Eb und Ea der durch die Querschnitte B und A des Durchlasses 20 gehenden Stoßwelle pro Zeiteinheit:

Eb = Jb- Sb (Watt), Ea = Ja- S_a (Watt),

wobei J die durch die Flächeneinheit pro Zeiteinheit gehende Energie der Stoßwellen und S der Querschnitt des Durchlasses ist.

Die maximale Verformungskraft Δ P_max (dyn/cm*) der Druckflüssigkeit in Abhängigkeit der Stoßwellen beträgt

AP_max = ]/2ρΟ/,

wobei ρ die Dichte der Druckflüssigkeit und C die Schallgeschwindigkeit sind.

Da, wie oben erwähnt, Eb = Ea ist, ergibt sich
JbSb — JaSa

AP;

maxA

ΔΡ;

maxB

Ja_	Sb	\ISb
Jb	Sa	V SA
-1/	Γ77_-
■ ν	Jb

Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis des Verdichtungsstoßes in zwei verschiedenen Querschnitten des konischen Durchlasses umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus dem betreffenden Querschnittsverhältnis ist. Auf diese Weise wirkt der mit dem geringer werdenden Querschnitt des Durchlasses 20 ansteigende hydraulische Druck auf das Metallrohr 22 und verformt dieses entsprechend den Konturen der Form 21. Die dabei zwischen dem Metallrohr 22 und der Wandung der Form 21 komprimierte Luft kann durch die Entlüftungsbohrungen 24 ohne Beeinträchtigung des Verformungsvorganges entweichen. Das verformte Rohr wird dann nach Öffnen der Form herausgenommen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Druckkammer 1 mit einem in Richtung auf die Austrittsöffnung A kleiner werdenden konischen Durchlaß 20 ermöglicht bei rationeller Fertigung der Kammer jeden gewünschten Verformungsdruck, da mit fallendem Öffnungsquerschnitt des Durchlasses 20 zwangsläufig die Dicke der Kammerwandung in Richtung auf die Austrittsöffnung A zunimmt. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der freie Querschnitt des Durchlasses 20 von B nach A hin ab.

Die in F i g. 3 dargestellte Druckkammer 1 besitzt eine Einlaßöffnung 32, eine Auslaßöffnung 33, einen Durchlaß 34 mit in Richtung des Auslasses 33 verlaufender Konizität sowie einen festen Zwischenkörper 35 für die Stoßwellen, wobei der Zwischenkörper 35 im Durchlaß 34 bei 36 abgestützt ist. In F i g. 4 ist dazu die Form der sich ausbreitenden Stoßwellen in den verschiedenen Querschnitten A' bis D' des Durchlasses 34 nach F i g. 3 dargestellt, wonach sich sowohl die Amplitude als auch die Wellenform mit der Ausbreitung der Wellen ändert.

Der mit der Verwendung eines festen Zwischenkörpers erzielbare Vorteil ergibt sich daraus, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit C der Stoßwellen in einem Medium bzw. Werkstoff folgendermaßen bestimmt ist:

"e_

wobei E der Elastizitätsmodul und ρ die Dichte des Mediums sind. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit C beträgt z. B. in Wasser 1500 m/sec und 1600 m/sec in Plastikkörpern. Andererseits tritt, wenn sich in einem Medium ausbreitende Druckwellen auf ein anderes Medium auftreffen, ein Teil der Druckwellen in das andere Medium ein, während die restlichen Druckwellen an der Berührungsfläche beider Medien reflektiert werden. Daraus ergibt sich für den Fall, daß

ίο ein fester Zwischenkörper 35, beispielsweise aus Stahl, in dem mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllten Durchlaß34 angeordnet ist (vgl. Fig. 3), ein Teil der in den Durchlaß 34 eintretenden Stoßwellen im Stahl 35 voreilt, während die im Wasser verbleibenden Stoßwellen sich langsamer ausbreiten, d. h. 1500

mit einer = 0,3fachen Geschwindigkeit im Vergleich zum Stahl. Somit ist es durch eine entsprechende Dimensionierung beider Medien möglich, die Stoßwellen in zwei Teilwellen zu unterteilen, von denen die eine im festen Medium und die andere im flüssigen Medium fortschreitet, und damit das jeweils erforderliche Druckverhältnis der beiden Teilwellen einzustellen. Demzufolge läßt sich z. B. eine sehr genaue Umformung dadurch bewirken, daß das Werkstück zunächst mit einer vorlaufenden Druckwelle vorgeformt und dann mit einer stärkeren Druckwelle fertiggeformt wird. Auf diese Weise läßt sich die Verformung des Werkstückes sehr gut steuern.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Hochenergieumformen von gegenüber einem Formhohlraum, einer Stanzöffnung od. dgl. angeordneten metallischen Werkstücken mit einem Flüssigkeitsstrahl, bestehend aus einer mit Druckflüssigkeit gefüllten Druckkammer, einem gleitend und flüssigkeitsdicht in einem zylindrischen Teil der Kammer geführten Plunger, einer Staudüse mit einem verengten Durchlaß für den Austritt des Flüssigkeitsstrahls bei Schlagbelastung des Plungers und einem das umzuformende Werkstück vor der Austrittsöffnung der Staudüse aufnehmenden Formwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt (20, 34) der Staudüse sich bis zur Austrittsöffnung (A, 33) stetig verengt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in dem Durchlaß (34) zwischen Druckkammer (1) und Staudüsenaustrittsöffnung

(33) angeordneten, den Durchlaßquerschnitt verengenden Zwischenkörper (35) aus einem Werkstoff, in dem sich die Druckwellen mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreiten als in der Druckflüssigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen