DE19805172A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Innenhochdruck- Umformen eines Werkstückes gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrich­ tung ist aus dem DE 94 07 812.2 U1 bekannt. Hierbei wird ein das Werkstück bildendes Hohlprofil in ein längs der Erstreckung des Hohlprofiles geteiltes Innenhochdruck-Umformwerkzeug einge­ legt, wonach dieses geschlossen wird. Anschließend wird das Hohlprofil beiderends durch Axialstempel dichtend verschlossen. Über die Axialstempel wird der Innenraum des Hohlprofiles be­ füllt. Die Axialstempel sind mit einem Druckerzeuger fluidisch verbunden. Sodann wird mittels des Druckerzeugers ein Innen­ hochdruck innerhalb des Hohlprofiles aufgebracht, wodurch die­ ses aufgeweitet wird, bis es sich an die Wandung der Werkzeug­ gravur anlegt. Die Werkzeuggravur weist einen von der Hohlpro­ filerstreckung radial abführenden Abzweig auf, in den das Hohl­ profilmaterial durch die Innenhochdruckbeaufschlagung unter Ausbildung einer Aushalsung hineinverdrängt wird. Auch hier legt sich das Material an der Abzweigwandung an. Der Aufweit­ vorgang innerhalb des Abzweiges wird durch einen im Abzweig verschieblich geführten Gegenschieber stabilisiert, der die Aushalsung im Endbereich abstützt. Um die Versagensgrenzen hin­ sichtlich Bersten bei der reinen Aufweitung, bei der sich die Länge des Hohlprofiles verkürzt, hinauszuschieben und somit ei­ ne größere Aufweitlänge der Aushalsung zu erhalten, wird durch eine zusätzliche Axialkraft, die durch Einfahren der Axialstem­ pel aufgebracht wird, Hohlprofilmaterial zur Abzweigstelle nachgeschoben, wodurch die für das Bersten verantwortliche Ma­ terialausdünnung im Abzweigbereich zumindest teilweise kompen­ siert wird. Trotzdem begrenzt bei Anlage des Hohlprofilmateri- als an der Gravurwandung, insbesondere auch im Abzweig die zwi­ schen dem Werkzeug und dem Hohlprofil entstehende und bei stei­ gendem Innenhochdruck größer werdende Reibung - auch wenn das Hohlprofil an seiner Außenseite mit einem Schmiermittel verse­ hen ist - die Ausformbarkeit des Werkstoffes erheblich. Dies ist ganz besonders bei Werkstoffen mit geringem Umformvermögen sehr problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend wei­ terzubilden, daß die Prozeßsicherheit bei der Innenhochdruckum­ formung von Werkstücken verbessert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruches 7 hinsichtlich der Vorrichtung gelöst.

Dadurch, daß der Innenhochdruck in Form einer Druckschwingung auf das Werkstück wirkt, wird die Reibung des Werkstückes an der Gravurwandung zwischen den Maxima der Schwingung zwischen­ zeitlich verringert, da sich dort ein Gebiet niedrigeren Druc­ kes befindet. Das heißt, es findet während des Umformvorganges eine periodisch auftretende teilweise Entlastung der Kon­ taktnormalspannung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug statt. Durch die Verringerung der Reibung jedoch wird auch der Widerstand für ein Nachfließen bzw. Nachführen des Werkstückma­ terial zur Ausformstelle hin kleiner, so daß versagensfrei mehr Material an diese Stelle bewegt werden kann. Einer Ausdünnung von Material im Ausformbereich wird somit entgegengewirkt, wo­ bei eine für die Umformung günstigere Materialverteilung er­ reicht und/oder der Umformgrad gesteigert werden kann. Bei spielsweise bei einem Abzweig von der Oravur, d. h. bei der Aus­ bildung einer Aushalsung kann das eine Vergrößerung der Aus­ ziehlänge bedeuten. Somit sind die Verfahrensgrenzen z. B. in Hinblick auf die Herstellung von Nebenformelementen erweiter­ bar. Des weiteren können aufgrund des vergrößerten Material­ nachschubes auch engere Radien am Werkstück ohne Auftreten ei­ nes Risses prozeßsicher ausgebildet werden. Insgesamt wird durch die Erfindung eine verbesserte Umformung auch von Werk­ stücken aus Werkstoffen mit geringem Formänderungsvermögen er­ reicht. Durch eine teilweise Entkopplung der Verfahrensparame­ ter von den tribologischen Bedingungen wird eine höhere Prozeß­ stabilität erzielt. Für eine optimale Auslegung des Verfahrens mit größtmöglichem Nutzen für die jeweilige Umformung ist die Druckschwingung in ihrer Amplitude und Frequenz mit Rücksicht auf den Werkstückwerkstoff und den Umformgrad des zu erzielen­ den Formverlaufes, also die Geometrie des fertigumgeformten Werkstückes oder andere relevante Verfahrensparameter entspre­ chend anzupassen.

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 in einem seitlichen Längsschnitt schematisch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 in einem Druck-Zeit-Diagramm schematisch den Verlauf der mit der Vorrichtung aus Fig. 1 erzeugten Druckschwingung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Innenhochdruck-Umformen eines hohlprofilförmigen Werkstückes 2 dargestellt, wobei die Vorrichtung 1 ein Innenhochdruck-Umformwerkzeug 3 beinhaltet, das zweigeteilt ausgebildet ist. Die Teilungsebene 4 des aus einem Oberwerkzeug 5 und einem Unterwerkzeug 6 bestehenden Um­ formwerkzeuges 3 verläuft entlang der Längserstreckung des Werkstückes 2. Im Oberwerkzeug 5 ist ein Abzweig 7 ausgebildet, in dem ein Gegenhalter s verschiebbar geführt ist. Das rohrför­ mige Werkstück 2 ist in einem von Oberwerkzeug 5 und Unterwerk­ zeug 6 gebildeten Hohlraum, der Gravur 9 aufgenommen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich das Umformwerkzeug 3 in Schließlage. Das Werkstück 2. ist beiderends durch Axialstempel 10 und 11 abgedichtet, wobei beide Axialstempel 10 und 11 wäh­ rend der Umformung zur Erhaltung der Dichtigkeit entsprechend der aufweitungsbedingten Rohrverkürzung nachgeführt werden. Denkbar ist dabei, daß über die Axialstempel 10 und 11 auf die Rohrenden 12 und 13 eine zusätzliche axial wirkende Kraft (in Pfeilrichtung) ausgeübt wird, wodurch Material des Hohlprofiles zur Aufweitungsstelle, hier der Abzweig 7, nachgeschoben wird. Der Gegenhalter B stützt (in Pfeilrichtung) die sich im Abzweig 7 ausformende Aushalsung 14 kontrolliert ab und bewahrt das Hohlprofil damit vor einer schnellen wegen der Rißgefahr pro­ zeßgefährdenden Ausdünnung des dortigen Werkstückmaterials.

Die Befüllung des Werkstückes 2 erfolgt über eine Zulaufbohrung 15 zumindest im Axialstempel 11. An die Zulaufbohrung 15 ist eine Förderleitung 16 angeschlossen, über die das hydraulische Druckfluid in das Werkstück 2 eingeleitet wird und die zu einer Druckfluiderzeugungsanlage führt. Diese beinhaltet einen Druck­ übersetzerkolben, über den der hydraulische Innendruck (in Pfeilrichtung) dann aufgebracht wird. In diese Förderleitung 16 mündet vor dem Umformwerkzeug 3 eine separat verlaufende Fluid­ leitung 17, in der ein Druckschwingungserreger 18 angeordnet ist. Dieser ist als Hubkolbenmotor ausgestaltet ist. Dessen Kolben 19 wird im Betrieb hin- und herbewegt, wodurch er auf die in der Fluidleitung 17 stehende Flüssigkeitssäule peri­ odisch in Form einer Sinuskurve wirkt. Die so erzeugte Druck­ schwingung wird dem im wesentlichen kontinuierlich über den Druckerzeuger gelieferten Förderdruck überlagert. Kontinuier­ lich soll hier bedeuten, daß der Druckverlauf des Förderdruckes des Druckübersetzers stetig ist. Durch diese Überlagerung wird der Innenhochdruck ebenfalls in Form einer Druckschwingung in den Hohlraum 20 des Werkstückes 2 eingebracht, welches aufge­ weitet wird und sich an die Gravur 9 des Umformwerkzeuges 3 an­ legt. Wie aus der Fig. 2 schematisch zu entnehmen ist, wird verfahrensbedingt der Innenhochdruck p_i mit der Umformdauer t nun in Form einer Schwingung erhöht. Hierbei ergeben sich zwi­ schen den Maxima 21 der Druckkurve 22 Bereiche 23 verminderten Druckes, so daß in diesen Zeitintervallen die Reibung des sich in Umformung befindlichen Hohlprofiles an der Gravur 9 vermin­ dert ist. Aufgrund der verminderten Reibung kann das Werkstück­ material widerstandsfreier fließen, so daß dessen Ausformbar­ keit unter Gewährleistung der Prozeßsicherheit verbessert wird. Eine Faltenbildung kann aufgrund der relativ kurzen Zeitdauer verminderten Hochdruckes nicht auftreten. Die Druckschwingung ist niederfrequent und kann vorzugsweise eine Frequenz im Be­ reich 0 < ν < 50 Hz aufweisen, welche die Umformung besonders begünstigt. Es sind jedoch auch höhere Frequenzen bis mehreren hundert oder tausend Hertz möglich. In vorteilhafter Weise wird somit der Zusammenbau der Vorrichtung zur Erzeugung des schwin­ genden Innenhochdruckes durch separat für sich bekannte kosten­ günstig beziehbare Systemkomponenten gestaltet, wobei an die übliche Förderleitung 16 lediglich mit geringem Aufwand eine Fluidleitung 17 angeschlossen und in diese ein Hubkolbenmotor integriert werden muß.

Es ist denkbar, anstatt des separat angeordneten Hubkolbenmo­ tors den Druckerzeuger selbst als Druckschwingungserreger 18 zu verwenden, wobei der Druckübersetzerkolben entsprechend dem Kolben 19 des Hubkolbenmotors oszillierend angetrieben ist. Hierbei kann in baulich vereinfachter Weise auf die separate Fluidleitung 17 verzichtet werden, wobei nun keine Überlagerung von zwei Druckverläufen erfolgt, da der Druckerzeuger schwin­ gungsförmig den Innendruck aufbringt.

Alternativ ist ebenfalls denkbar, daß der Druckschwingungserre­ ger 18 in die Fluidförderleitung 16 zwischen Druckerzeuger und Werkstück 2 unter Wegfall der Fluidleitung 17 integriert ist. Der Druckschwingungserreger 18 kann in jedem der Fälle, bei de­ nen der Druckübersetzer nicht zur Schwingungserregung beiträgt, auch als angetriebene Unwuchtmasse, beispielsweise ein Rüttele­ lement, oder als Piezoelement sowie als Aktor ausgebildet sein. Die beiden letztgenannten Ausgestaltungen sind kleinbauend und besitzen in vorteilhafter Weise die Möglichkeit einer sehr fein abstimmbaren und auf gezielte Änderungen schnell reagierenden Schwingungserregung.

Schließlich sei angemerkt, daß das Werkstück 2 sich nicht auf die Ausbildung eines Hohlprofiles beschränkt, sondern genauso von zwei aufeinanderliegenden Platinen gebildet sein kann.

Claims (13)

1. Verfahren zum Innenhochdruck-Umformen eines Werkstückes in einem geschlossenen Innenhochdruck-Umformwerkzeug, wobei das Werkstück aufgrund des von einem Druckerzeuger ausgeübten flui­ dischen Innenhochdruckes aufgeweitet wird und sich an die Gra­ vur des Umformwerkzeuges anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenhochdruck in Form einer Druckschwingung einge­ bracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwingung vom Druckerzeuger selbst erregt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem vom Druckerzeuger erbrachten kontinuierlichen Förder­ druck eine Druckschwingung überlagert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwingung mittels eines in die Förderleitung (16)

des Druckerzeugers zum Werkstück (2) hin integrierten Schwin­ gungserregers (18) erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwingung mittels eines in einer zur zum Werk­ stück (2) hin verlaufenden Förderleitung (16) des Druckerzeu­ gers separaten und in die Förderleitung (16) vor dem Umform­ werkzeug (3) einmündenden Fluidleitung (17) angeordneten Schwingungserregers (18) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwingung eine Frequenz im Bereich 0 < ν ≦ 50 Hz aufweist.

7. Vorrichtung zum Innenhochdruck-Umformen eines Werkstückes mit einem längs der Erstreckung des Werkstückes geteilten In­ nenhochdruck-Umformwerkzeug und mit einem mit dem Umformwerk­ zeug fluidisch verbundenen Druckerzeuger zur Ausübung eines fluidischen Innenhochdruckes auf das Werkstück, zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) einen Druckschwingungserreger (18) be­ inhaltet, mittels dessen der Innenhochdruck als Druckschwingung in das Werkstück (2) einbringbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger den Druckschwingungserreger (18) bildet, wobei der Druckerzeuger einen Druckübersetzerkolben beinhaltet, der oszillierend angetrieben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschwingungserreger (18) in die Fluidförderleitung (16) zwischen Druckerzeuger und Werkstück (2) integriert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Fluidförderleitung (16) eine Fluidleitung (17) mün­ det, in der der Druckschwingungserreger (18) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschwingungserreger (18) ein Hubkolbenmotor ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschwingungserreger (18) ein Piezoelement ist.