DE19614242C1 - Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Innenhochdruck-Um­ formen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Bauart ist beispielsweise aus dem Prospekt der Fa. Dr. Meleghy, 1995, "Werkzeugbau, Proto­ typenbau" bekannt. Hierbei beinhaltet die Vorrichtung eine Um­ formpresse aus einem Pressenstößel, einem Pressentisch und einem Umformwerkzeug. Das Umformwerkzeug ist in ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug geteilt, wobei das Oberwerkzeug am Pressenstö­ ßel und das Unterwerkzeug am Pressentisch befestigt ist. Der Pressenstößel ist gesteuert auf das Unterwerkzeug verfahrbar, wonach der in diesem eingelegte Rohling mit einem Druckfluid un­ ter einem Hochdruck von mehreren tausend Bar entsprechend der Form der im Umformwerkzeug ausgebildeten Gravur aufgeweitet wird. Gemeinhin wird der Pressenstößel mit einer konstanten ma­ ximalen Schließkraft auf das Unterwerkzeug gepreßt. Aufgrund der dabei sehr hohen Flächenpressung während des gesamten Innen­ druckaufbau- und Umformprozesses auf das Unterwerkzeug müssen die Kontaktflächen von Unterwerkzeug und Oberwerkzeug ausladend bemessen sein, damit die durch die Flächenpressung verursachte Spannung im Werkzeug verteilt wird. Damit diese großflächigen Kontaktflächen eine auch bei hohen Drücken ausreichende Dichtfä­ higkeit beisitzen, sind diese über ihre gesamte Fläche hinweg sauber geschabt und tuschiert. Dies erfordert einen sehr hohen Aufwand für die Vorbereitung des Werkzeuges zum Innenhochdruck­ umformen, was einen erheblichen Anteil an den Fertigungskosten des umzuformenden Bauteils ausmacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung unter Gewährleistung der Prozeßsicherheit möglichst einfach und kostenoptimiert zu gestalten.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Anhand der innendruckangepaßten Schließkraft des Pressenstößels mittels einer geringaufwendigen Steuerung, nimmt die Flächen­ pressung auf das Unterwerkzeug beträchtlich ab. Hierbei ist die Schließkraft immer nur gerade so groß, wie es für das Zuhalten des Umformwerkzeuges entgegen des momentan herrschenden Innen­ druckes innerhalb des Rohlinges notwendig ist. Die niedrige Flä­ chenpressung bedingt ebenfalls eine geringere Spannung innerhalb und eine geringere Belastung des Unterwerkzeuges. Demgegenüber ist bei herkömmlichen Zuhaltevorrichtungen, beispielsweise bei Pressen auch dann die Schließkraft maximal, wenn der Innendruck bezüglich des endgültigen Hochdruckes noch relativ niedrig ist, so daß das Unterwerkzeug aufgrund der "überschüssigen" Flächen­ pressung sehr stark belastet ist und bei baulicher Unterdimen­ sionierung des Unterwerkzeuges an diesem zu Kantenausbrüchen kommt. Aufgrund der insgesamt vergleichsweise aus der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung resultierenden sehr geringen Flächen­ pressung ist es nun möglich, die Kontaktfläche und damit die Dichtfläche zwischen den Umformwerkzeughälften zu verringern. Hierbei ist ein schmaler Randstreifen vorgesehen, der die Gravur des Umformwerkzeuges unmittelbar umgibt, so daß sich um diesen Randstreifen herum bei geschlossenem Umformwerkzeug ein Luft­ spalt zwischen den Werkzeughälften ausbildet. Die schmale Dicht­ fläche ist dabei so zu bemessen, daß die auftretende Flächen­ pressung ohne Schadenswirkung am Werkzeug aufgenommen werden kann. Infolge der Schmalheit des Randstreifens konzentriert sich das Tuschieren der Dichtfläche nur auf einen kleinen Bereich, so daß der Vorbereitungsaufwand wesentlich geringer als bisher ist, als die gesamte Stirnfläche der Werkzeughälften bearbeitet wer­ den mußte, wobei die Tuschierung rascher und wirkungsvoller mit der geforderten Genauigkeit aufgebracht werden kann.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 perspektivisch einen Abschnitt eines herkömmlichen Unter­ werkzeuges eines Innenhochdruck-Umformwerkzeuges,

Fig. 2 perspektivisch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Unterwerkzeuges eines Innenhochdruck-Umformwerkzeuges,

Fig. 3 ein Kraft-Innendruck-Diagramm bezüglich der Schließkraft einer Umformpresse und des Innendruckes innerhalb des umzufor­ menden Rohlings.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Unterwerkzeuges 1 eines in ein Ober- und ein Unterwerkzeug hälftig geteilten Umformwerkzeuges zum Innenhochdruckumformen eines als Hohlprofil ausgebildeten Werkstückrohlings dargestellt, wie es bisher gestaltet wurde. Die Dichtfläche 2, die die rohlingaufnehmende Gravur 3 begrenzt und die Kontaktfläche zu dem Oberwerkzeug in Schließstellung des Umformwerkzeuges bildet, erstreckt sich gleichmäßig über die ge­ samte Stirnfläche des Unterwerkzeuges 1 und ist tuschierend be­ arbeitet.

Die gesamte Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen umfaßt außer dem Umformwerkzeug eine Umformpresse, die einen Pressentisch und einen zu diesem hin mit gesteuerter Schließkraft verfahrbaren Pressenstößel beinhaltet. Das Oberwerkzeug ist an dem Pressen­ stößel und das Unterwerkzeug an dem Pressentisch befestigt, wo­ bei das Umformwerkzeug durch Verfahren des Pressenstößels geöff­ net bzw. geschlossen werden kann. Die im Schließzustand des Um­ formwerkzeuges einander berührenden Kontaktflächen der Werkzeug­ hälften sind mit hoher Paß- und Formgenauigkeit derart dichtend aufeinander eintuschiert, daß sich bei der unter einem Druck von mehreren kbar stattfindenden Innenhochdruckumformung kein Roh­ lingmaterial gratförmig in den Dichtflächenspalt, also den Spalt zwischen den Kontaktflächen einquetschen läßt.

Wie Fig. 3 durch die Kurve 4 zeigt, wird zum Umformen des Roh­ linges bei geschlossenem Umformwerkzeug und in den Rohling ein­ geleitetem Hochdruckfluid, beispielsweise Wasser, von Anfang des Druckaufbaus an eine maximale konstante Schließkraft von dem Pressenstößel der Umformpresse und dem an diesem befestigten Oberwerkzeug auf das Unterwerkzeug 1 und den mit diesem fest verbundenen Pressentisch ausgeübt. Durch die Beaufschlagung mit­ tels des Hochdruckfluides wird der Rohling entsprechend der Gra­ vur 3 formgetreu aufgeweitet. Damit insbesondere in der Anfangs­ phase des Druckaufbaus die von der Kontaktfläche zum Oberwerk­ zeug gebildete Dichtfläche des Unterwerkzeuges 1 durch die sehr hohe Schließkraft infolge sehr hoher Flächenpressung nicht be­ schädigt oder gar zerstört wird, ist die Dichtfläche 2 großflächig zum Kompensieren der Flächenpressung ausgebildet.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen mit dem Abschnitt des Unterwerkzeuges 1 der Fig. 1, jedoch erfindungsge­ mäß abgewandelt. Durch Fräsen ist die Stirnseite 9 des Unter­ werkzeuges 1 um wenigstens etwa 0,5 mm bis auf einen schmalen zum Oberwerkzeug hin abstehenden Randstreifen 5, der die Gravur 3 unmittelbar und über ihre gesamte Erstreckung hinweg umgibt, zerspanend freigearbeitet. Die zerspante Fläche der Stirnseite 9 des Unterwerkzeuges 1 bildet mit der stirnseitigen Oberfläche des gegenüberliegenden Oberwerkzeuges in Schließstellung des Umform­ werkzeuges einen über die gesamte Stirnseite 9 sich erstrecken­ den Luftspalt aus, der nur von dem Randstreifen 5 unterbrochen wird. Die zum Oberwerkzeug gewandte Stirnseite 6 des Randstrei­ fens 5 bildet unterwerkzeugseitig die dichtende Kontaktfläche für das gegenüberliegende Oberwerkzeug im Schließzustand des Um­ formwerkzeuges. Hierbei ist nur die Stirnseite 6 des Randstrei­ fens 5, also die Dichtfläche zum Oberwerkzeug und die von der Stirnseite 6 beaufschlagte Fläche des Oberwerkzeuges nachträg­ lich tuschiert. Die Güte der Oberfläche und Form der Stirnseite 6 und der von dieser beaufschlagten Fläche des Oberwerkzeuges kann auch durch andere Fertigungsverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch Senk- oder Drahterodieren. Der Rand­ streifen 5 weist eine konstante Breite von in der Regel etwa 15-20 mm auf. Die Breite des Randstreifens 5 kann in fertigungs­ technisch einfacher Ausführung über den Verlauf der Gravur 3 hinweg auch variieren, so daß bei Herstellung des Randstreifens 5 ohne Berücksichtigung der Gravurkontur durch Ausfräsen der Stirnseite 9 die beiden Seiten 10 des Randstreifens 5 linear und parallel zueinander verlaufen. Selbstverständlich ist, daß der Randstreifen 5 anstatt am Unterwerkzeug 1 am Oberwerkzeug ausge­ bildet sein kann. Bei speziellen innhochdruckumzuformenden Tei­ len, die extreme Maße aufweisen, kann die Breite des Randstrei­ fens 5 deutlich außerhalb des oben genannten Bereiches liegen. Für die Herstellung von Kleinteilen wie beispielsweise Wasser­ hähnen kann die Breite des Randstreifens 5 bei 5 mm liegen, für die Herstellung von Großteilen wie Rahmenträgern, Achsen oder Achsträgern etwa bei 150 mm.

Denkbar ist alternativ auch, daß der Randstreifen 5 an beiden Umformwerkzeughälften ausgebildet ist, wobei im Schließzustand die beiden Randstreifen 5 mit ihren Stirnseiten 6 deckungsgleich aufeinander zu liegen kommen. Jeder der Randstreifen 5 kann da­ bei von geringerer Hohe sein als bei Vorhandensein eines einzi­ gen, wie oben beschrieben, wodurch die Stabilität und Bruchfe­ stigkeit des Randstreifens 5 bzw. des dichtenden Kontaktes zwi­ schen den Werkzeughälften gegenüber der Flächenpressung erhöht wird.

Desweiteren ist es denkbar, den Randstreifen 5 als ein von der Werkzeughälfte gesondertes Werkzeugbauteil vorzusehen, welches auf der unbearbeiteten Stirnseite 9 der jeweiligen Werkzeughälf­ te nachträglich durch eine lösbare Verbindung wie beispielsweise durch eine Schraubverbindung angebracht wird. Dabei ist zu be­ achten, daß der Randstreifen 5 hochdruckdicht an der Stirnseite 9 der Werkzeughälfte entlang der Gravur 3 befestigt wird. Der Randstreifen 5 bildet mit seiner gravurzugewandten Seite 11 ei­ nen Teil der Gravurkontur. Der Vorteil liegt in der Austausch­ barkeit des Randstreifens 5 bei Auftreten eines funktionsbeein­ trächtigenden Verschleißes. Unlösbare Verbindungen wie Kleben, Löten usw. sind ebenfalls möglich, wobei die Gewährleistung der Hochdruckdichtheit leichter zu erreichen ist. Insgesamt erbringt die nachträgliche Anbringung eines Randstreifens 5 als Bauteil eine Herstellungserleichterung für das Werkzeug, wobei ein mit einigem Aufwand erfolgendes zerspanendes Herausarbeiten des Randstreifens 5 quasi aus dem Vollen entfallen kann.

Darüber hinaus kann das Umformwerkzeug sich in seiner baulichen Gestaltung derart beschränken, daß die der Gravur 3 abgewandte Seite 10 des Randstreifens 5 die Werkzeughälfte nach außen be­ grenzt, so daß das Werkzeug wesentlich kleiner und leichter baut, was sich auch auf die Auslegung der gesamten Umformpresse volumenvermindernd auswirkt. Der Pressenstößel kann in seiner Dimensionierung an das kleiner gestaltete Umformwerkzeug ange­ paßt werden. Die Umformpresse erfordert damit einen geringeren Investitionskostenaufwand und einen geringeren Platzbedarf.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Vorrichtung zum Zu­ halten des Umformwerkzeuges nicht notwendigerweise eine Umform­ presse sein muß. Die Zuhaltefunktion kann ebenso durch Zuganker erreicht werden, die das Umformwerkzeug direkt und unmittelbar im Schließ- und/oder Öffnungssinne beaufschlagen. Die Zuganker können als Schrauben ausgebildet sein, so daß das Zuhalten des Umformwerkzeuges über eine Verschraubung der Werkzeughälften er­ folgt. Alternativ sind auch Zuganker in Form von Kolbenstangen denkbar, die durch beide Werkzeughälften seitlich der Gravur 3 hindurchgeführt sind und mit einem Ende an einem der Werkzeug­ hälften fixiert und mit dem anderen Ende in einen Hydraulikzy­ linder eintauchen. Durch hydraulische Betätigung des eintauchen­ den Endes der Kolbenstangen mittels dem Innenhochdruck innerhalb des Rohlinges entsprechenden Hochdruck kann eine derartige Zug­ kraft entwickelt werden, daß das Umformwerkzeug zugehalten wird. Ebenfalls kann auch das Öffnen des Umformwerkzeuges hydraulisch erfolgen, indem das Ende der Kolbenstange gegenüber der Schließ­ betätigung von der anderen Seite her mit einem Druck im Bereich von etwa 250 bar beaufschlagt wird. Dieser Druck kann derselben Druckquelle entnommen werden wie der Hochdruck beim Umformvor­ gang. Es ist dabei auch denkbar, diesen Druck über einen separa­ ten Druckkreislauf aufzubauen. Die Steuerung der Schließkraft kann in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend dem Aufbau der Öffnungskraft durch eine Hydraulikdrucksteuerung gemäß einem Kennfeld erfolgen. Denkbar ist auch die Steuerung in der Weise vorzunehmen, daß der den Innenhochdruck bewirkende Fluidstrom aufgeteilt wird, so daß ein Teil zur Aufweitung des Rohlinges in diesen hineingeleitet wird und der andere Teil das Ende der Kol­ benstange innerhalb des Hydraulikzylinders beaufschlagt. Somit regelt sich die Schließkraft quasi von selbst in Abhängigkeit von der Öffnungskraft. Die die Dichtung des Umformwerkzeuges be­ wirkende Kraft kann dabei allein durch das Gewicht der auflie­ genden Werkzeughälfte aufgebracht werden, wenn die beaufschlagte Fläche des Kolbens der Kolbenstangen mit der projizierten Fläche des umzuformenden Bauteils in der Größe übereinstimmt. Beim Nachschieben oder Stauchen des Bauteilmaterials wird die proji­ zierte Bauteilfläche und damit die das Werkzeug auseinandertrei­ bende Druckkraft kleiner, so daß - da die Kolbenfläche der Kol­ benstange unverändert bleibt - die Schließkraft nicht mehr aus­ schließlich vom Gewicht der Werkzeughälfte aufgebracht wird, sondern zusätzlich aus dem entstandenen Druckunterschied resul­ tiert.

Entsprechend der Fig. 3 wird bei der Ausbildung des Unterwerk­ zeuges 1 nach der Fig. 2 anhand der Kurve 7 die Schließkraft des Pressenstößels mittels einer einfachen Steuerung gesteuert. Die­ se verläuft direkt proportional zur Öffnungskraft aus dem Werk­ zeug, die aus dem Produkt vom Innendruck innerhalb des Rohlings und der projizierten Werkstückfläche resultiert und deren Ver­ lauf aus der Kurve 8 in Fig. 3 zu ersehen ist, wobei die Schließkraft für ein dichtes Zusammenhalten der Werkzeughälften immer einen konstant höheren Wert besitzt. Prinzipiell ist der Steuerung ein jedem Druckzustand des Innenhochdruckes zugeord­ neter maximaler Wert vorgegeben, über den die Schließkraft wegen der hohen Flächenpressung über die gesamte Dauer des Umformpro­ zesses hinweg nicht steigen darf. Der Wert, um den die Schließ­ kraft die Öffnungskraft übersteigt, liegt in einem Wertebereich zwischen einem Mindestwert, bei dem die Dichtwirkung für das Um­ formwerkzeug gerade noch gegeben ist, und einem Höchstwert, ab dem eine kontaktflächenschädigende Flächenpressung auftritt bzw. die Gefahr einer Schadensnahme an der vom Randstreifen 5 gebildeten Kontaktfläche entsteht. Die Kurve der Wertefolge der jeweils bei den verschiedenen Innendruckzuständen bzw. -druck­ werten maximal zulässigen Schließkraftwerte kann dabei zumindest annähernd parallel zum Kurvenverlauf der Öffnungskraft verlau­ fen. Der Verlauf der Schließkraftkurve kann auch nicht-linear gesteuert werden, jedoch derart, daß die Schließkraft in jedem Fall die Öffnungskraft so weit übersteigt, daß eine dichtende Anlage des Oberwerkzeuges am Unterwerkzeug 1 gewährleistet ist.

Die Erfindung kann in allen IHU-(Innenhochdruck-Umform) Werkzeu­ gen Verwendung finden, beispielsweise für Werkzeuge zur Herstel­ lung abgasführender Kraftfahrzeugbauteile, wie eines luftspalt­ isolierten Abgaskrümmers.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen mit einem in ein Ober- und ein Unterwerkzeug geteilten, den umzuformenden hohlen Rohling in einer Gravur aufnehmenden öffen- und schließbaren Umformwerkzeug, das mit Kontaktflächen an den Werkzeughälften versehen ist, die im Schließzustand des Umformwerkzeuges einan­ der berühren und dichtend aufeinander liegen, und mit Mitteln zur Beaufschlagung des Inneren des Rohlings mittels eines Hoch­ druckfluides, wobei Ober- und Unterwerkzeug mit einer der be­ triebsbedingten aus Innendruck und projizierter Werkstückfläche resultierenden Öffnungskraft entgegenwirkenden Schließkraft be­ aufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer Werkzeughälfte (1) des Umformwerkzeuges die dichtend anliegende Kontaktfläche auf einen gravurnahen, ge­ genüber der sonstigen Formteilungsfläche dieser Werkzeughälfte (1) zur gegenüberliegenden Werkzeughälfte hin abragenden Rand­ streifen (5) beschränkt ist, und daß eine Steuerung vorgesehen ist, welche den Verlauf der Schließkraft an den Verlauf der Öffnungskraft derart steuert, daß die Schließkraft die Öffnungskraft in jeder Phase des Umformvorganges um einen Wert übersteigt, der in einem Wertebe­ reich zwischen einem Mindestwert, bei dem die Dichtwirkung für das Umformwerkzeug gerade noch gegeben ist, und einem Höchstwert liegt, ab dem eine kontaktflächenschädigende Flächenpressung auftritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randstreifen (5) aus der Stirnseite (9) der jeweiligen Werkzeughälfte spanend herausgearbeitet ist, wobei die zer­ spante Fläche der Werkzeughälfte (1) mit der stirnseitigen ge­ genüberliegenden Oberfläche der anderen Werkzeughälfte in Schließstellung des Umformwerkzeuges einen über die gesamte Stirnseite (9) sich erstreckenden Luftspalt ausbildet, der von dem Randstreifen (5) unterbrochen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randstreifen (5) ein von der Werkzeughälfte (1) geson­ dertes Werkzeugbauteil ist, das an der Stirnseite (9) der Werk­ zeughälfte (1) hochdruckdicht entlang der Gravur (3) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Randstreifens (5) etwa 5 bis 150 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randstreifen (5) mit konstanter Breite ausgebildet ist.