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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Umformvorrichtung mit einem
ersten Formwerkzeug, das an einem ersten Schlitten angeordnet ist,
und einem an einem zweiten Schlitten angeordneten zweiten Formwerkzeug
zur Umformbearbeitung eines eingespannten Werkstücks zwischen dem ersten Formwerkzeug
und dem zweiten Formwerkzeug, wobei der erste und zweite Schlitten
in Bearbeitungsrichtung verfahrbar sind.
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Aus
der
DE 36 41 695 A1 ist
ein Umformverfahren bekannt, bei dem ein länglicher Hohlkörper aus
einem massiven Werkstück
geformt wird. Bei dem vorbekannten Verfahren, das als Bohrungsdrücken bezeichnet
wird, drückt
der Formstempel, der ein erstes Formwerkzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist, auf die Stirnseite des Werkstücks. Gleichzeitig greift an
der Umfangsfläche
des rotierenden Werkstücks
mindestens ein als zweites Formwerkzeug im Sinne der vorliegenden
Erfindung ausgebildetes Andrückmittel
an, durch das das Material des Werkstücks in axialer Richtung des
Formstempels bzw. des zylindrischen Werkstücks verdrängt wird. Bei diesem vorbekannten
Verfahren überlagern sich
die durch den Formstempel aufgebrachten axialen Spannungen mit den
durch das Andrückmittel aufgebrachten
axialen und radialen Spannungen. Somit kann bei Umformkräften, die
deutlich unterhalb derjenigen Umformkräfte beim Fließpressen
liegen, aus dem Werkstück
ein Hohlkörper
hergestellt werden.
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Wenngleich
die beim Bohrungsdrücken
auftretenden Umformkräfte
geringer als die beim Fließpressen
auftretenden Umformkräfte
sind, ist die genaue Führung
der beiden Werkzeuge und die Ausrichtung der Werkzeuge zueinander
bei der Umformbearbeitung des Werkstücks problematisch. Beim Bohrungsdrücken ist
es wesentlich, daß der
Formstempel konzentrisch zu dem zylindrischen Werkstück geführt wird,
und schon geringste Abweichungen bei der Führung der Umformwerkzeuge führen zu
Ausschußteilen,
mit in Umfangsrichtung veränderlicher
Wandstärke
des Hohlkörpers,
wobei im Extremfall der Formstempel seitlich aus dem Werkstück heraustritt.
Bei ungenauer Werkzeugführung
und fehlender Konzentrizität
zwischen Werkstück
und Werkzeug treten außerdem
hohe Biegebelastungen auf, die zum Bruch des Formstempels führen können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umformvorrichtung,
insbesondere für das
Bohrungsdrücken,
anzugeben, mit dem eine Umformbearbeitung des Werkstücks mit
hoher Genauigkeit möglich
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung eine Umformvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß der
erste und der zweite Schlitten über
eine gemeinsame Führung
geführt
sind.
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Bei
einer derartigen Ausgestaltung können Ungenauigkeiten,
die durch Fertigungs- und
Lagetoleranzen der Führung
verursacht werden, vermieden werden, da sowohl der erste Schlitten
als auch der zweite Schlitten über
eine gemeinsame Führung
geführt
sind und somit in gleicher Weise von den Ungenauigkeiten in ihrer
Lage beeinflußt
werden. Damit ist sichergestellt, daß das Werkstück in der
gewünschten
Weise zwischen dem ersten und dem zweiten Formwerkzeug umgeformt
wird.
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Gemäß einem
alternativen Lösungsvorschlag
wird mit der vorliegenden Erfindung eine Umformvorrichtung mit den
Merkmalen von Anspruch 2 vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß der
erste Schlitten an dem zweiten Schlitten geführt ist.
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Bei
dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist das an dem ersten Schlitten angeordnete erste Formwerkzeug aufgrund
der Führung
des ersten Schlittens an dem zweiten Schlitten in seiner Lage gegenüber dem
an dem zweiten Schlitten geführten zweiten
Formwerkzeug festgelegt. Auch dadurch wird sichergestellt, daß das Werkstück mit hoher
Genauigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Formwerkzeug umgeformt
wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
der zweite Schlitten eine konzentrische Ausnehmung auf, wobei der
erste Schlitten an der Innenfläche
der Ausnehmung geführt
ist. Durch diese Führung
an der Innenfläche
der Aus nehmung ist der erste Schlitten nahezu spielfrei in der Ausnehmung
zentriert. Mithin wird der Abstand zwischen dem ersten Formwerkzeug
einerseits und dem zweiten Formwerkzeug andererseits mit hoher Genauigkeit
vorgegeben. Durch die Führung
des ersten Schlittens an der Innenfläche der an dem zweiten Schlitten
ausgebildeten Ausnehmung ist es außerdem möglich, den ersten Schlitten
in axialer Richtung relativ zu dem zweiten Schlitten unter Beibehaltung des
genauen Abstandes zwischen den beiden Formwerkzeugen zu führen. Bei
dieser vorteilhaften Ausgestaltung, bei der der erste Schlitten
zumindest teilweise von dem zweiten Schlitten umgeben ist, ergibt sich
eine gedrungene Bauweise der Umformvorrichtung, die im Hinblick
auf eine genaue Umformbearbeitung des Werkstücks zu bevorzugen ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist der zweite Schlitten gegenüber
dem ersten Schlitten festlegbar, so daß sich eine im Hinblick auf
die maßhaltige
Verformung des Werkstücks
zu bevorzugende starre Anordnung der beiden Schlitten zueinander
ergibt.
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In
vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Umformvorrichtung dadurch
weitergebildet, daß an
dem formstempelseitigen Ende des ersten Schlittens eine mit der
Innenfläche
der Ausnehmung zusammenwirkende Klemmhülse vorgesehen ist. Eine derartige
Klemmhülse,
die beispielsweise eine hydraulisch betätigte Klemmhülse sein
kann, kann derart eingestellt werden, daß sie im gelösten Zustand
eine praktisch spielfreie Zentrierung des ersten Schlittens gegenüber dem
zweiten Schlitten erlaubt, wohingegen diese im geklemmten Zustand
miteinander zu einer starren Einheit verbunden sind. Die Klemmhülse kann
somit sowohl der Führung
als auch der Festlegung der beiden Schlitten dienen.
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Durch
mehrere, als zweites Formwerkzeug ausgebildete Andrückmittel,
die gleichmäßig in Umfangsrichtung
kreisförmig
um das erste Formwerkzeug angeordnet sind, wird das Werkstück zwischen den
Andrückmitteln
zentriert, was sich in vorteilhafter Weise auf eine genaue Umformbearbeitung
des Werkstücks
auswirkt.
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Im
Hinblick auf die Konzentrizität
der Umformbearbeitung des Werkstücks
ist es zu bevorzugen, daß die
Umformvorrichtung einen symmetrischen Aufbau aufweist.
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Dementsprechend
wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen,
daß die
Führung
mehrere axial zur Bearbeitungsrichtung verlaufende Führungselemente
umfaßt,
die entsprechend der von den Andrückmitteln vorgegebenen Teilung
kreisförmig
um das erste Formwerkzeug angeordnet sind.
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Da
die Andrückmittel
in der Regel zur Anpassung an verschiedene Durchmesser des Werkstücks quer
zur Formstempelachse mittels hydraulischer Zylinder verstellbar
sind, wird im Hinblick auf eine kompakte Ausgestaltung der Umformvorrichtung
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgeschlagen, daß jedes
Führungselement
mittig zwischen den Kraftwirkungslinien benachbarter Andrückmittel
angeordnet ist.
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Zur
Vermeidung von auf die Schlittenführung wirkenden Querkräften sind
Antriebe zu den jeweiligen Schlitten in bevorzugter Weise durch
einen konzentrisch zu der Kraftwirkungslinie des ersten Umformwerkzeugs
wirkenden ersten Antrieb, durch den der erste Schlitten antreibbar
ist, und durch zweite Antriebe zum Antrieb des zweiten Schlittens,
die derart angeordnet sind, daß sich
die Achse jeweils eines zweiten Antriebs mit der Kraftwirkungslinie
des Andrückmittels
schneidet, gebildet. Durch den Antrieb zu dem ersten Schlitten einerseits
und den Antrieb zu dem zweiten Schlitten andererseits ist es möglich, die beiden
Schlitten unabhängig
voneinander in axialer Richtung einzustellen. Die Antriebe sind
vorzugsweise jedoch derart ausgestaltet, daß sie bei der Umformbearbeitung
eine synchrone Bewegung der beiden Schlitten ermöglichen. Eine derartige synchrone Bewegung
kann durch eine entsprechende Steuerung der jeweiligen Antriebe
erzielt werden. Alternativ ist es auch möglich, einen Antrieb, vorzugsweise
den Antrieb für
den zweiten Schlitten, bei gegeneinander verspannten ersten und
zweiten Schlitten im Leerlauf zu betreiben.
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Schließlich wird
gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen,
daß die
Teilung 120° ist,
also die Führungselemente
einerseits und die Andrückmittel
andererseits jeweils um einen Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet
sind.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene Längsschnittansicht
des Ausführungsbeispiels,
und
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2 eine
Draufsicht entlang der Linie II-II gemäß 1.
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Bei
dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein Formstempel 2 an einem Ende eines ersten Schlittens 4,
der im folgenden Stempelschlitten genannt wird, angeordnet. Das
andere Ende des Stempelschlittens 4 ist mit einem Hydraulikzylinder 6 verbunden,
der an einem nicht näher
dargestellten Maschinengestell abgestützt ist. Der Hydraulikzylinder 6 ist
konzentrisch zu dem Formstempel 2 angeordnet. Am Umfang
des Stempelschlittens 4 sind als Führungselemente drei zueinander
und zur Achse des Formstempels 2 ausrichtbare vorgespannte
Wälzführungen 8,
d.h. Längsführungen
mit Wälzkörpern, vorgesehen.
Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, sind diese
Wälzführungen 8 mit
einem Winkel von 120° auf
einer Umfangslinie verteilt zu der Längsachse des Formstempels 2 angeordnet.
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Über die
Wälzführungen 8 ist
weiterhin ein zweiter Schlitten, der im folgenden Rollenschlitten 10 genannt
wird, geführt.
Der Rollenschlitten 10 trägt an seinem dem Formstempel 2 zugewandten
Ende drei hydraulische Stellelemente 12, die quer zur Längsachse
des Formstempels verstellbar sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
schneiden die Bewegungsachsen der Zustellelemente 12 die
Mittellängsachse
des Formstempels 2. An dem dem Formstempel 2 zugewandten
Ende der Stellelemente 12 sind als Andrückmittel ausgebildete Drückrollen 14 angeordnet,
die den Rollenschlitten 10 in axialer Richtung, bezogen
auf die Achse des Formstempels 2, überragen.
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Die
die Drückrollen 14 tragenden
Stellelemente 12 sind derart in Bezug auf die Achse des Formstempels 2 angeordnet,
daß die
Bewegungsrichtung der Zustellbewegung, die vorliegend mit der Kraftwirkungslinie
der Drückrollen 14 übereinstimmt, jeweils
mit tig zwischen benachbarten Führungsschienen 8 angeordnet
ist. Dementsprechend schließen
die Kraftwirkungslinien der Andrückrollen
zwischen sich jeweils einen Winkel von 120° ein.
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Der
Antrieb zu dem Rollenschlitten 10 wird durch drei Wälzschraubtriebe 16 gebildet,
die in Umfangsrichtung derart verteilt angeordnet sind, daß sich ihre
Achse mit der Kraftwirkungslinie der Drückrolle 14 schneidet.
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Der
Rollenschlitten 10 weist eine Bohrung 18 auf,
die konzentrisch zu dem Formstempel 2 ausgebildet ist.
Der Stempelschlitten ragt mit seinem zylindrisch ausgebildeten Stempelhalter 4a,
der an einem Führungsträger 4b des
Stempelschlittens 4 befestigt ist, in die Bohrung 18 hinein.
Zwischen dem Stempelhalter 4a und der Bohrung 18 ist
an dem stempelseitigen Ende des Stempelhalters 4a eine
Klemmhülse 20 angeordnet.
Diese Klemmhülse 20 ist
derart ausgebildet, daß der
Stempelschlitten 4 in der Bohrung 18 des Rollenschlittens 10 im
ungeklemmten Zustand der Klemmhülse 20 spielfrei
zentriert und geführt
ist, wohingegen eine starre Verbindung der beiden Schlitten 4, 10,
die keine Rückwirkung
auf die Führungen
der jeweiligen Schlitten 4, 10 hat, im geklemmten
Zustand der Klemmhülse 20 erzielt
werden kann.
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Konzentrisch
zu der Mittellängsachse
des Formstempels 2 und gegenüberliegend der freien Stirnseite
des Formstempels ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Spindel 22 vorgesehen,
die ein Spannfutter 24 trägt. Die Spindel 22 ist
in herkömmlicher
Weise antreibbar und drehbar gelagert, wobei diese Lagerung über das
nicht näher
dargestellte Maschinengestell, an dem auch der Hydraulikzylinder 6,
die Wälzschraubtriebe 16 sowie
die Wälzführungen 8 abgestützt sind,
erfolgt. In dem Spannfutter 24 ist ein Werkstück 26 eingespannt,
das durch ein massives Halbzeug gebildet ist. Bei der gezeigten Darstellung
ist das Werkstück 26 bereits
teilweise zu einem Hohlkörper
umgeformt worden.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
ist zur Vermeidung außermittiger
Belastungen streng symmetrisch aufgebaut. Die Kraftwirkungslinien
der auf das Werkstück 26 wirkende
Drückrollen 14 schließen zwischen
sich einen Winkel von 120° ein.
Mittig zwischen diesen Kraftwirkungslinien sind die Wälzführungen 8 auf
einem konstanten Umfang in Bezug auf die Mittellängsachse von Formstempel, Rollen-
bzw. Stempelschlitten 4, 10, Hydraulikzylinder 6 sowie Spindel- 22 bzw.
Werkstück 26 angeordnet.
Dieser Symmetrie folgen die Antriebe 16 zu dem Rollenschlitten 10,
die ebenfalls mit einer Teilung von 120° versetzt zueinander kreisförmig um
die Mittellängsachse
der Spindel 22 bzw. des Formstempels 2 angeordnet
sind. Im Hinblick auf eine möglichst
genaue konzentrische Umformbearbeitung des Werkstücks 26 ist
es zu bevorzugen, die gewählte
Teilung für
alle, die Schlittenführung
belastenden Komponenten des Umformwerkzeugs vorzusehen. Es sollte darauf
hingewiesen werden, daß eine
Teilung von 120° nicht
zwingend erforderlich ist. Gleichwohl hat sich herausgestellt, daß eine Teilung
von 120° zu
einer sehr guten Maßhaltigkeit
des verformten Werkstücks
führt.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Umformvorrichtung kann ein
Hohlkörper
ausgebildet werden, der eine hohe Konzentrizität, also eine konstante Wandstärke der
die zentrale Ausnehmung umgebenden Wand in axialer und radialer
Richtung aufweist.
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Da
der Stempelschlitten 4 mit seinem Stempelhalter 4a in
die an dem Rollenschlitten 10 ausgebildete Bohrung 18 hineinragt, überdecken
sich die Schlittenwege, wodurch nicht nur eine Führung und Verspannung der beiden
Schlitten aneinander bzw. gegeneinander möglich ist, sondern auch eine
kompakte Bauweise der Umformvorrichtung erzielt wird. Das Konstruktionsprinzip
ermöglicht
es, Werkstücke 26 mit
großen
Werkstücklängen zu
bearbeiten, die eine ausladende Länge des Formstempels 2 sowie lange
Schlittenwege während
der Umformbearbeitung erfordern, ohne auf die Vorzüge einer
kompakten und steifen Bauweise der Umformvorrichtung verzichten
zu müssen,
die im Hinblick auf eine genaue Führung während der Umformbearbeitung
aufgrund der naturgemäß hohen
Umformkräfte
zu bevorzugen ist.
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Die
Umformbearbeitung des Werkstücks 26 erfolgt
folgendermaßen:
Das
Werkstück 26 wird
zunächst
in das Spannfutter 24 eingespannt. Die beiden Schlitten 4, 10 werden unabhängig voneinander
in die Ausgangsposition für die
Bearbeitung verfahren. Diese Ausgangsposition hängt von der Geometrie des jeweiligen
Werkstücks 26 ab.
Der Stempelschlitten 10 wird derart verfahren, daß der Formstempel 2 gegen
die Stirnseite des Werkstücks 26 drückt. Der
Rollenschlitten 10 wird derart verfahren, daß die Drückrollen 14 an
einer im Hinblick auf den zu erzielenden Materialfluß in Werkstück 26 zu
bevorzugenden Lage an den Umfang des Werkstücks 26 angelegt werden
können.
Das Anlegen der Druckrollen 14 selbst erfolgt über die
Zustellbewegung der Stellelemente 12, wobei die Stellelemente 12 derart
gesteuert werden, daß die
drei Drückrollen 14 konzentrisch
um die Mittellängsachse des
Formstempels 2 bzw. des Werkstücks 26 angeordnet
sind. Nachdem der Stempelschlitten 4 und der Rollenschlitten 10 bei
gelöster
Klemmhülse 20 unabhängig voneinander
in ihre Ausgangsposition verfahren worden sind, wird das Druckmedium
der Klemmhülse 20 zugeschaltet,
um eine Klemmung zwischen Stempelschlitten 4 und Rollenschlitten 10 zu
erzielen, so daß beide
Schlitten 4, 10 zueinander zentriert und starr
miteinander verbunden sind. Aufgrund der Wirkungsweise der hydraulischen
Klemmhülse 20 wird
eine konzentrische Verspannung der beiden Schlitten 4, 10 zueinander
erzielt, die keine Rückwirkung
auf die Führungen
der beiden Schlitten hat. Im gekemmten Zustand kann die Umformung
des massiven Halbzeugs zu einem Hohlkörper erfolgen, wobei bei dieser
Bearbeitung der Vorschub der beiden Schlitten 4, 10 über die
synchron angetriebenen Antriebe des Rollenschlittens 10 einerseits
und des Stempelschlittens 4 andererseits erfolgt. Zur Entnahme
des fertig umgeformten Werkstücks 26 können beide
Schlitten 4, 10 nach Lösen der Klemmhülse 20 unabhängig voneinander
verfahren werden.
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Alternativ
ist es auch möglich,
daß die
Bearbeitung oder Teilschritte der Bearbeitung bei unterschiedlichen
axialen Vorschubgeschwindigkeiten bzw. -richtungen der beiden Schlitten 4, 10 erfolgt. Ein
derartiges Verfahren wird bei gelöster Klemmhülse 20 durchgeführt. Die
erforderliche konzentrische Anordnung des Formstempels 2 zu
der Kreisbahn, auf der die Mittelpunkte der Drückrollen 14 liegen, wird
dadurch begünstigt,
daß die
Klemmhülse
im gelösten
Zustand eine spielfreie Zentrierung und Führung des Stempelschlittens 4 in
dem Rollenschlitten 10 bewirkt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Der Formstempel 2 kann frei drehbar gelagert sein oder
durch einen in dem Stempelschlitten 4 angeordneten Antrieb
drehbar angetrieben sein. Die Drückrollen 14 können frei
drehbar oder über
einen Antrieb angetrieben sein. Dabei können neben Andrückrollen
auch Scheiben, Kugeln oder Kugelscheiben als Andrückelemente
vorgesehen sein. Die Geometrie der Umfangsfläche des Andrückelements
ist dabei derart ausgestaltet, daß der gewünschte Materialfluß bei der
Umformbearbeitung erzielt werden kann. Statt eines Spannfutters
kann das Werkstück
auch von einem Gegenstempel gehalten sein. Wenngleich die Klemmhülse im Hinblick
auf eine einfache konstruktive Ausgestaltung zu bevorzugen ist,
da diese sowohl der Führung
als auch der Festlegung der beiden Schlitten aneinander bzw. zueinander
dient, können alternativ
oder zusätzlich
Führungselemente
zur Führung
des Stempelschlittens an dem Rollenschlitten vorgesehen sein, die
ausschließlich
der Führung dienen.
Diese Führungen
sollen ebenfalls gemäß der gewählten Teilung
angeordnet sein.
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- 2
- Formstempel
- 4
- Stempelschlitten
- 4a
- Stempelhalter
- 4b
- Führungsträger
- 6
- Hydraulikzylinder
- 8
- Führungsschienen
- 10
- Rollenschlitten
- 12
- Stellelement
- 14
- Drückrolle
- 16
- Wälzschraubtrieb
- 18
- Bohrung
- 20
- Klemmhülse
- 22
- Spindel
- 24
- Spannfutter
- 26
- Werkstück