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Verfahren zur Verminderung des Querschnittes von hohlen, insbesondere
rohrförmigen Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des
Querschnittes von hohlen, insbesondere rohrförmigen Werkstücken aus verformbaren
Metallen; vorzugsweise Stahl oder Messing oder Kunststoffe, wie Thermoplaste bei
dem das Werkstück in angewärmtem oder kaltem Zustand mit Hilfe eines Werkzeuges,
bestehend aus einem kraftbeaufschlagten Stempel und einer einzigen oder mehreren
im selben Arbeitsgang in Arbeitsrichtung hintereinandergeschalteten Matrizen umgeformt
wird.
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Bei derartigen Werkstücken, die ein oft verwendetes Bauelement (z.B.
nahtlose Rohre, Stoßdämpferhtilsen, Hydraulikzylinder, Hohlprofile, u.a.) darstellen,
werden die erwünschten Abmessungen vom Rohteil ausgehend in mehreren aufeinanderfolgenden
Umformarbeitsgängen erzeugt. Dabei wird meist im ersten Arbeitsgang ein Hohlkörper
hergestellt (z.B. Napffließpressen, Tie£-ziehen, Erhard'sches- Lochverfahren) der
im Verlauf weiterer Umformarbeitsgänge (z.B. Abstreckziehen, Hohlfließpressen, Walzen)
im Querschnitt vermindert wird. Die Anzahl der zur Verminderung des Querschnittes
erforderlichen Arbeitsgänge ist gegeben durch die pro Arbeitsgang erreichbare Querschnittsverminderung.
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Es ist bekannt, den Querschnitt von zylindrischen Hülsen mit Boden
durch Abstreckziehen zu vermindern (Siebel, E., Grundlagen und Begriffe der bildsamen
Formgebung Werkstatt-Technik und Maschinenbau 1950/ Weiß, H., Untersuchungen über
das Abstrecken, Diss. T.H. Stuttgart 1954/ Bauder, U., Ableitungen von Verformungsbestwerten
für das Tiefziehen von Hohlkdrpern aus dicken Stahlblechen, Diss. T.H. Stuttgart
1949), wobei der wesentliche Teil der Umformkraft vom Ziehstempel auf den Hülsenboden
übertragen und von dort über den schon umgeformten Werkstück teil in die Umformzone
eingeleitet wird. Die Größe der durch einen Arbeitsgang in einem Abstreckrihg erreichbaren
Querschnittsabnahme ist begrenzt durch die Belastbarkeit des Bodens. Bei zu
großer
Querschnittsabnahme reißt der Boden heraus und die unvollständig umgeformte Hülse
bleibt im Abstreckring stecken, während sich der Ziehstempel weiterbewegt.
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Weiterhin ist bekannt (May, 0., Die Traktrix-Kurve, Ziehringe mit
schraubenförmiger Schulter und das Abstrecken durch mehrere Ziehringe, Werkstatt-Technik
1961, Nr. 9; Seite 476 - 479/ Kuhn, W., Untersuchungen über das Streckziehen von
Stahlhülsen mit mehreren Ziehringen, Diss. ETH Zürich), die in einem Arbeitsgang
erreichbare Querschnittsverminderung durch Anordnung mehrerer, in Arbeitsrichtung
hintereinander angeordneter Ziehringe zu erhöhen. Die Erhöhung der Querschnittsabnahme
ist dabei besonders groß, wenn das Werkstück eine Ziehmatrize vollständig passiert
hat, bevor es in die nächste Ziehmatrize eintritt, weil dadurch der Hülsenboden
stets nur durch die Umformkraft einer einzigen Ziehmatrize beansprucht wird.
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Von erheblicher Bedeutung für die erreichbare Querschnittsabnahme
ist die Größe des Abstreckwinkels K. Es ist bekannt (Weiss, H., Untersuchungen über
das Abstrecken, Diss. T.H.
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Stuttgart 1954), den Winkel X so zu wählen, daß die Stempelkraft P
ein Minimum wird. Durch Untersuchungen konnte experimentell nachgewiesen werden,
daß die nach diesem Kriterium für die maximal erreichbare Querschnittsabnahme gefundene
"optimalen" Abstreckwinkel nahezu unabhängig von der Werkstoff-Festigkeit zwischen
150 u. 250 liegen. Es ist allgemein üblich, sich zur Erreichung größtmöglicher Querschnittsabnahmen
dieser optimalen Winkel zu bedienen.
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Die zur Umformung notwendige Stempelkraft ist als Kriterium für die
erreichbare Querschnittsverminderung unzutreffend. Dies hat seine Begründung darin,
daß die erreichbare Querschnittsverminderung in Wirklichkeit begrenzt ist durch
die Größe derjenigen Kraft, die über den schon umgeformten Querschnitt gerade noch
übertragen werden kann. Wenn diese Kraft eine Zugspannung hervorruft, die größer
ist als die Zugfestigkeit des umgeformten Werkstückes, tritt Bruch (Bodenreißer)
ein. Andererseits belastet die im Bereich der Umformzone durch Reibung zwischen
Stempel und Werkstück direkt in die Umformzone eingeleitete Kraft
#en
schon umgeformten Querschnitt nicht, obwohl sie Bestandteil der Stempelkraft p ist.
Es ist also möglich, einen erheblichen Teil der zur Umformung notwendigen Kraft
durch Reibung direkt in die Umformzone einzuleiten ohne den schon umgeformten Querschnitt
zu belasten. Da jedoch für das Versagen des Werkstückes die Größe der Bodenkraft
PB allein maßgebend ist, muß sie auch das Kriterium für die erreichbare Querschnittsverminderung
sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bodenkraft PB u.
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damit die im umgeformten Querschnitt wirkende Zugbeanspruchung klein
zu halten, so daß große Querschnittsabnahmen in einem Arbeitsgang ohne Bodenreißer
durchgeführt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anteil
der im Bereich der Umformzone entlang der mantelförmigen Berührfläche zwischen Stempel
und Werkstück wirkenden Reibkraft an an der Stempelkraft PSt, durch Vergrößerung
der Reibfläche und/oder durch Vergrößerung der Reibschubspannung X, also durch Vergrößerung
des Reibungskoeffizienten p und/oder der senkrecht zur Berührfläche wirkenden Druckspannung
&, gesteigert wird, so daß ein prozentual größerer Anteil der Stempelkraft PSt
durch Reibung direkt in die Umformzone eingeleitet wird und dadurch der Anteil der
Bodenkraft PB, zur Verminderung der im schon umgeformten Querschnitt wirkenden Zugbeanspruchung,
herabgesetzt wird und zwar mindestens auf weniger als 50%, vorzugsweise auf weniger
als #0%, günstiger noch auf weniger als 40%, besser noch auf weniger als 10 der
Stempelkraft g so daß im Grenzfall im schon umgeformten Querschnitt keine Zugspannungen
mehr herrschen, und somit auch Werkstücke mit sehr dünnem oder sogar ohne Boden
umgeformt werden können.
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Zur Vergrößerung der Reibfläche, sowie zur Vergrößerung des Betrages
der zwischen Stempel und Werkstück senkrecht zur mantelförmigen Berührfläche wirkenden
Druckspannung'bist das Umformwerkzeug so gestaltet, daß nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung die Matrize im Arbeitsbereich einen Abstreckwinkel zwischen der Mantellinie
des Stempels und der Mantellinie der im Arbeitsbereich kegeligen Innenfläche der
Matrize von mindestens
kleiner als#80, vorzugsweise kleiner als
60, günstiger noch kleiner als 40, aufweist.
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Um einerseits die Druckspannungen , insbesondere im unteren Teil der
Umformzone, stark zu vergrößern und andererseits die Matrizen-Bauhöhe zu verringern,
wird das Umformwerkzeug so gestaltet, daß nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
die Matrize im Arbeitsbereich eine konvexe Krümmung aufweist, wobei der Winkel zwischen
der Mantellinie des Stempels und der Tangente an die konvex gekrümmte Kurve im Arbeitsbereich
mindestens kleiner als 80 vorzugsweise kleiner als 60, günstiger noch kleiner als
40 ist.
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Um die Bauhöhe der Matrize noch weitgehender zu verringern, wird das
Umformwerkzeug 80 gestaltet, daß nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die
Matrize den beschriebenen Abstreckwinkel « nur in ihrem unteren, mehr als 30%, besser
noch mehr als 50% der Höhe der Umformzone umfassenden Teil des Arbeitsbereiches
aufweist, während der obere Teil beliebig gekrümmt ist.
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Die gleiche Verringerung der Bauhöhe wird dadurch erreicht, daß nach
einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Matrize den beschriebenen Tangentenwinkel
B nur in ihrem unteren mehr als 50fi, besser noch mehr als 50% der Höhe der Umformzone
umfassenden Teil des Arbeitsbereiches aufweist;, während der obere Teil beliebig
gekrümmt ist.
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Zur Vergrößerung des Reibungskoeffifienten zwischen Stempel und Werkstück
und damit zur Vergrößerung der Reibkraft ist nach einer weiteren Ausbildung der
Erfindung der Stempel auf seiner Mantelfläche mindestens im Arbeitsbereich aufgerauht,
wobei die Aufrauhung beispielsweise durch Atzen erfolgen kann.
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Um den Reibungskoeffizienten zwischen Stempel und Werkstück gegenüber
dem Reibungskoeffizienten zwischen Werkstück und Matrize zu vergrößern, wird das
Werkstück vor der Umformung derart vorbehandelt, daß nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung nur die Außenoberfläche des Werkstückes mit Schmiermittel beschichtet
wird, während die Innenseite des Werkstückes ungeschmiert
bleibt,
d.h., daß beispielswelse Stahihülsen in gezeigt neten Vorrichtungen durch Spritzphosphatieren
nur auf ihrer Außenoberfläche mit einer Fhosphatschicht überzogen und anschließend
durch Spritzfetten nur auf der Außenob#rflä che befettet werden, während die Innenseite
der Hülsen vom Tauchbeizen her nahezu metallisch blank bleiben, und daß bei-der
Umformung der Stahihülsen Stempel aus geeigneten, mit Stahl nicht kalt verschweißenden
Werkstoffen, beispielsweise Hartmetall oder Bronze, eingesetzt werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß gegenüber dem Stand der Technik wesentlich größere Querschnittsabnahmen in einem
Arbeitsgang erreicht werden. Unter Anwendung des Erfindungsgedankens wurde in praktischen
Ver-.
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suchen eine Hülse aus Stahl mit einem Innendurchmesser von 40 mm und
einer Wanddicke vor der Umformung von 5 mm in einem Arbeitsgang um 90% im Querschnitt
vermindert. Durch die Vergrößerung der erreichbaren Querschnlttsverminderung können
bei der Herstellung von hohl-, insbesondere rohrförmigen Werkstücken, Arbeitsgänge
eingespart werden.
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Unter Berücksichtigung des großen Anteils, den WerkstU¢ke dieser Art
in der Technik haben, hat die Einsparung von Arbeitsgängen und damit von Kosten
große wirtschaftliche Bedeutung.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt.
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Es zeigen Fig.1 die Verminderung des Querschnittes von hohlen, insbesondere
rohrförmigen Werkstücken mit Stempel (2) und Matrize (3) mit im Arbeitsbereich kegeliger
Innenfläche im Axialschnitt.
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Flug.2 Matrize mit im Arbeitsbereich konvex gekrümmter Innenform.
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Fig.3 Matrize, die im unteren Teil des Arbeitsbereiches einen kleinen
Abstreckwinkel a aufweist, während der obere Teil, wie in der linken Hälfte gezeigt,
eine kegelige Innenform oder, wie in der rechten Hälfte gezeigt, eine konvexe Krümmung
aufweist, im Axialschnitt.
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Fig.4 Matrize, die im unteren Teil des Arbeitsbereiches konvex gekrümmt
ist, während der obere Teil, wie in der linken Hälfte dargestellt, eine kegelige
Innenform oder, wie in der rechten Hälfte dargestellt, eine konvexe Krümmung aufweist,
im Axialschnitt.
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Ein hohles Werkstück 1 wird durch ein Umformwerkzeug, bestehend aus
einem Stempel 2 und einer Matrize 3, im Querschnitt vermindert. Dabei wird von der
Umformmaschine her die Kraft Pst auf den Stempel 2 ausgeübt. In der mantelförmigen
Berührfläche zwischen Stempel 2 und Werkstück 1 wirkt vorwiegend im Bereich der
Umformzone eine Reibschubspannung r, wobei die Umformzone derjenige Bereich zwischen
Stempel 2 und Matrize 3 ist, in dem das Werkstück 1 plastisch umgeformt wird.
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Die Reibschubspannungri ist nach dem Coulomb'schen Reibgesetz das
Produkt aus Reibungskoeffizient p und der senkrecht zur Reibfläche, also senkrecht
zur mantelförmigen Berührfläche wirkenden Normalspannung 8. Das Produkt aus Reibschubspannungt
und der durch die mantelförmige Berührfläche zwischen Stempel 2 und Werkstück 1
im Bereich der Umformzone gegebenen Reibfläche F ergibt die in Arbeitsrichtung auf
das Werkstück wirkende Reibkraft PR.
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Die Reibkraft PR wird über den Stempel 2 eingeleitet, sie stellt also
einen Anteil der Stempelkraft P8t dar, der über Reibung direkt in die Umformzone
eingeleitet wird. Ein weiterer Anteil der Stempelkraft P8t, die
Bodenkraft
PB, kann über den schon umgeformten, aus der formgebenden Werkzeugöffnung austretenden
Querschnitt in die Umformzone eingeleitet werden. Dabei tritt allerdings in diesem
Querschnitt eine Zugbeanspruchung auf, die bei Erreichen der Zugfestigkeit des schon
umgeformten Werkstoffes zum Bruch, dem sogenannten Bodenreißer, führt. Durch gezielte
Steigerung der Reibkraft PR kann bei Vergrößerung der in einem Arbeitagang vor zunehmenden
Querschnittsverminderung der zur Durchführung der Umformung zusätzlich notwendige
Stempelkraftanteil durch Reibung direkt, also ohne zusätzliche Belastung des durch
Bodenreißer gefährdeten Querschnittes, in die Umformzone eingeleitet werden. Darüber
hinaus ist es möglich, die Stempelkraft Pßt in ihrer gesamten Größe über Reibung
in die Umformzone einzuleiten und damit den gefährdeten Querschnitt vollständig
zu entlasten, sodaß auch Werkstücke ohne Boden im Querschnitt vermindert werden
können. Dies konnte experimentell nachgewiesen werden.