DE19829577B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei der mehrere formende Arbeitsstufen in mindestens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, bei denen von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Rohren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird, wobei durch mindestens eine vorverformende Arbeitsstufe das jeweilige Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsetelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Endverformungsstufe beibehalten werden, und wobei die Endverformung in einem Stempel-Matrize-Werkzeug durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Endverformung bei stützendem Innendruck in dem Rohr während des Einfahrens des Stempels in die Matrize erfolgt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei der mehrere formende Arbeitsstufen in mindestens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, bei denen von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Rohren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird, wobei durch mindestens eine vorverformende Arbeitsstufe das jeweilige Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsstelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Endverformungsstufe beibehalten werden, und wobei die Endverformung in einem Stempel-Matrize-Werkzeug durchgeführt wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die von einer IHU-Form und einem Stempel-Matrize-Werkzeug gebildet ist und in der mehrere formende Arbeitsstufen durchlaufen werden, wobei in einem Formwerkzeug durch eine vorverformende Arbeitsstufe das Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsstelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Enrdverformungsstufe beibehalten werden.
  • Die an sich schon seit geraumer Zeit bekannte Innen-Hochdruck-Umformtechnik (IHU) ist in der jüngeren Vergangenheit derart weiterentwickelt worden, daß sie in der Fertigungstechnik, insbesondere in der Serienfertigung einen hohen Stellenwert genießt, vor altem deshalb, weil sie bei hoher Qualität der Erzeugnisse eine wirtschaftliche Fertigung gewährleistet. Es versteht sich, daß die Bruchdehnung der verwendeten Materialien der Größe und der Form der herzustellenden Teile gewisse Grenzen setzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Bruchdehnung des zu verarbeitenden Materials nicht überschritten werden darf bzw. ein Sicherheitsabstand zu der vorgegebenen Bruchdehnung verbleiben muß. Auf Grund der bisher gewonnenen Erkenntnisse kann nicht bestritten werden, daß geometrisch kompliziert geformte Teile, insbesondere der größeren Art nicht gefertigt werden können, wobei enge Radien einen deutlichen Hemmschuh darstellen. Ein weiterer Hemmschuh besteht darin, daß komplizierte Formen nicht nur außerordentlich hohe Innendrücke, sondern auch hohe Zuhaltekräfte erfordern, die nur bedingt und wenn, nur mit einem erheblichen wirtschaftlichen Aufwand erzeugt werden können. Hier sei noch erwähnt, daß insbesondere bei hohen Innendrücken die Gefahr der Überschreitung der Bruchdehnung des zu verarbeitenden Materials erheblich ansteigt, also mit Ausschuß gerechnet werden muß.
  • Aus der EP 0 588 528 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt. Dort erfolgt die Endverformung der Rohre durch schnelles Schließen des Stempel-Matrize-Werkzeugs bei vergleichsweise niedrigem, konstantem Innendruck in dem Rohr und anschließender starker Erhöhung des Innendrucks zum Ausformen des Rohrs in dem geschlossenen Stempel-Matrize-Werkzeug. Beim Auftreffen des schnell schließenden Stempels auf das Rohr kommt es zu einer schnellen Volumenverringerung, also zu einer Druckerhöhung und unkontrollierten Verformung, insbesondere zu einer Faltung in das Rohrinnere, da die Umfangsmaße in der Endverformungsstufe beibehalten werden. Erst durch die starke Druckerhöhung ist hier die Ausformung des Rohrs in dem geschlossenen Stempel-Matrize-Werkzeug möglich, so daß hohe Zuhaltekräfte erforderlich sind, das Material mehrfach belastet wird und ein Überschreiten der Bruchdehnung vor allem in den Eckbereichen droht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es. Verfahren und Vorrichtung nach dem Stand der Technik vorteilhaft weiterzubilden, um geometrisch komplizierte Teile herstellen zu können, ohne daß die alles entscheidende Bruchdehnung überschritten wird und daß mit tragbaren Innendrücken gearbeitet werden kann. Außerdem soll eine Vorrichtung angegeben werden, die für die wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgesehen, daß die Endverformung bei stützendem Innendruck in dem Rohr während des Einfahrens des Stempels in die Matrize erfolgt. Dadurch wird ein Verformen des Rohrs nach innen oder gar die Bildung von Falten verhindert und eine unnötige Materialbeanspruchung ausgeschlossen. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, daß bei der Endverformung mit verhältnismäßig niedrigen Drücken gearbeitet werden kann, die das verformte Teil von innen her so stützen, daß das geformte Material sich nicht nach innen verformt oder gar Falten bildet. Es ist deshalb auch nur eine geringe Stempelkraft erforderlich und es erfolgt keine nachträgliche Druckerhöhung. Die Endverformung des Rohres ist also mit realisierbaren Drücken erreichbar, so daß nicht nur die Gefahr der Überschreitung der Bruchdehnung beseitigt ist, sondern auch die hohen Kosten für hohe Drücke und Zuhaltekräfte vermieden sind. Für die Praxis bedeutet dies, daß in vorteilhaftem Gegensatz zu früheren bzw. älteren Verfahren geometrisch komplizierte Teile gefertigt werden können, die allen Ansprüchen gewachsen sind. Das Vorformen in einer vorgezogenen Arbeitsstufe im Sinne der Umfangsmaße in einer Endverformungsstufe ist mit der heutigen Camputertechnik ohne Schwierigkeiten zu vollziehen, da mit einem Computer das z. B. zeichnerisch festgehaltene Fertigteil gewissermaßen scheibchenweise zerlegbar ist und die ermittelten Umfänge auf die Vorverformung übertragen werden können.
  • Die in der Vorverformungsphase erfolgende Einstellung auf die Umfangsmaße des fertigen Teiles läßt sich mit der Lehre nach Anspruch 2 oder mit der Lehre des Anspruches 3 erhalten. Zum Expandieren sei noch bemerkt, daß das Expandieren als Endstufe einer Verformung bei komplizierten Teilen besonders gefährlich ist, da dort das sowieso bis an die Grenze der Bruchdehnung belastete Material mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit zerstört wird und Ausschuß unvermeidbar erscheint. Es versteht sich, daß dies im besonderen Maße für große bzw. komplizierte Teile gilt, die mehrfache Richtungsänderungen des Materialflusses notwendig machen.
  • Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 4, der den Ablauf eines Verformungsvorganges umreißt. Die aufgezeigte Reihenfolge der einzelnen Verformungen wird durch die Form des herzustellenden Teiles bestimmt. Bestimmt wird auch von dem herzustellenden Teil, ob man mit oder ohne Innendruck arbeitet. Ähnliches gilt auch für das im Anspruch 2 erwähnte axiale Stauchen.
  • Zwei Varianten der Verformung nach Anspruch 4 ergeben sich aus den Ansprüchen 5 und 6, was wieder durch die Form des herzustellenden Teiles bestimmt wird.
  • Weitere Arbeitsstufen in verschiedener Reihenfolge ergeben sich aus den Ansprüchen 7 bis 11, wobei die unterschiedlich aufeinanderfolgenden Arbeitsstufen ebenfalls von der Gestaltung des herzustellenden Teiles bestimmt werden.
  • Im Anspruch 12 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11 angegeben, bei der die Matrize des Stempel-Matrize-Werkzeuges von einem Block gebildet ist, der eine Ausfräsung aufweist, in die ein Stempel eingreift, der eingefahren zusammen mit den seitlichen Teilen und dem Boden der Ausfräsung die Endform des zu fertigenden Teiles umreißt, und daß in dem Rohr ein stützender Innendruck anlegbar ist. Reihenfolge und Anzahl der Formen sind wiederum von der Gestalt des herzustellenden Teiles abhängig. Für die Endverformungsstufe ist ein von heute üblichen IHU-Fonrmen abweichendes Werkzeug erforderlich, in welchem die Endform ohne weitere Materialbelastung und Umfangsänderung bei niedrigem, d. h. lediglich stützendem Innendruck hergestellt wird.
  • Für die eine oder andere Gestalt der zu fertigenden Teile kann es erforderlich sein, mindestens eine Biegemaschine zum Einsatz zu bringen, wie dies Anspnruch 13 aussagt.
  • In Anspruch 14 ist ein vorteilhaftes Stempel-Matrize-Werkzeug angegeben, mit dem sich ein entsprechend vorgeformter Teil bzw. ein vorgeformtes Rohr beliebigen Querschnitts ohne hohe Innendrücke in die Endform bringen läßt.
  • Der Wirtschaftlichkeit wegen wird ein Stempel-Matrize-Werkzeug wie in Anspruch 15 angegeben ausgebildet. Dabei kommt der besonderen Ausbildung der Matrize besondere Bedeutung zu, da diese die Möglichkeit bietet, mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand an Paßstücken und entsprechenden Stempeln zahlreiche Querschnitte in die Endform zu bringen.
  • Ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Teil kann geometrisch kompliziert geformt sein, insbesondere enge Radien aufweisen, und ist dennoch einfach und zuverlässig herstellbar.
  • In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, d.h., anhand einer Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert; es zeigen:
  • 1 ein abgelängtes Rohr runden Querschnitts;
  • 2 das gleiche Rohr, jedoch teilweise vorverformt;
  • 3 ein weiter verformtes Rohr in Oberansicht;
  • 4 eine IHU-Form in geöffnetem Zustand;
  • 5 eine schematisiert dargestellte Biegemaschine bekannter Bauart;
  • 6 eine Matrize für die Endverformung in Oberansicht;
  • 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII der 6;
  • 8 den Aufbau eines nur schematisch dargestellten Endverformungswerkzeuges bei noch nicht eingefahrenem Stempel;
  • 9 das gleiche Werkzeug bei eingefahrenem Stempel;
  • 10 eine gegenüber den 8 und 9 geänderte Ausführung bei noch nicht eingefahrenem Stempel und
  • 11 das gleiche Werkzeug bei eingefahrenem Stempel.
  • Die 1 bis 3 bzw. die 2 und 3 lassen die Vorverformungsstufen eines Rohres 1 erkennen, wobei es wichtig ist, daß die Umfangsmaße an jeder Querschnittsstelle gegenüber den Umfangsmaßen des Endproduktes zumindest annähernd gleich bleiben.
  • Zur Durchführung der Verformung gemäß den 2 und 3 sind eine IHU-Form 2, eine Biegemaschine 3 und ein Stempel-Matrize-Werkzeug 4 erforderlich, wozu auf die 4 bis 7 verwiesen wird. Die IHU-Form ist in üblicher Weise aufgebaut und sie nimmt das Rohr 1 nach 9 auf. Über Hochdruckanschlüsse 5 wird das Rohr 1 expandiert, so daß es in der Mitte der IHU-Form an die Formfläche 6 zur Anlage kommt. Dabei erfolgt zum Wandstärkenerhalt gleichzeitig ein axiales Stauchen mit Hilfe entsprechender Kolben 7; diese sind über Leitungen 8 an eine Druckquelle angeschlossen.
  • Um das vorgeformte Rohr 1 mit der mittigen Aufweitung (vgl. 6) in die Form gemäß 3 zu bringen, ist ein Biegen mit Hilfe der Biegemaschine 3 erforderlich. Damit beim Biegen das vorgeformte Rohr 1 mit seiner Weitung 9 nicht deformiert wird, ist es in vielen Fällen erforderlich, den Hohlraum 10 des vorgeformten Rohres 1 mit einem Medium, z. B. mit Wasser zu füllen, sofern der Hohlraum nicht schon befüllt war. In dem Hohlraum 10 soll ein ausreichender, von innen stützender Druck vorhanden sein.
  • Das gefüllte oder ungefüllte, nunmehr hufeisenförmig gestaltete Rohr 1 wird in eine Ausfräsung 11 der Matrize 12 eingelegt; das vorgeformte Rohr 1 wird über Leitungen 13 mit Ventilen 14 an eine Druckquelle angeschlossen, um einen stützenden Innendruck aufbauen zu können. Es versteht sich, daß das Rohr 1 bei 15 entsprechend abzudichten ist.
  • In die Ausfräsung 11 der Matrize 12 greift ein Stempel 16 ein, der bei entsprechendem Druck die Rundquerschnitte in die endgültige Querschnittsform bringt, ohne daß eine Veränderung der Umfangsmaße gegenüber den Umfangsmaßen der Rundquerschnitte eintritt; dies auch dann, wenn der Stempel 16 – wie aus 7 ersichtlich – an seiner Unterseite 17 besonders gestaltet ist. Unterseite 17 und Boden sowie Seitenwände der Ausfräsung 11 ergeben bei eingefahrenem Stempel 16 die dargestellte Querschnittsform. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das an Hand der 4 bis 7 näher erläutert ist, lassen sich Eckbereiche und/oder kleine Radien ausbilden, ohne daß die Bruchdehnung des jeweiligen Materials überschritten wird. Dabei ist herauszustellen, daß – im Extremfall – bei einer derartigen Verformung der jeweilige Außenradius etwa der Materialstärke des Bleches od. dgl. entsprechen kann. Derartiges ist mit bekannten Verfahren unerreichbar.
  • Es versteht sich, daß die jeweils herzustellenden Teile die Anordnung und die Aufeinanderfolge von Formen 2 (vgl. auch 4) bestimmen. Wichtig bleibt immer, daß die anfänglichen Umfangsmaße eines vorgeformten Rohres 1 mit den Umfangsmaßen des fertigen Teiles zumindest annähernd übereinstimmen.
  • Bei dem Werkzeug 4 gemäß den 8 und 9 ist in einer Matrize 12 eine Wanne 17 ausgebildet, die eine Vertiefung 18 aufweist. In die Wanne 17 sind Paßstücke 19 eingesetzt, zwischen die der Stempel 16 eingreift. Die Paßstücke 19 (nur die seitlichen dargestellt) begrenzen zusammen mit dem Stempel 16 einen Hohlraum 20. Wenn das aus einem Rohrquerschnitt 1 herzustellende Fertigteil gegenüber dem Stempel 16 bis 21 Hinterschneidungen aufweist, ist es erforderlich, die Paßstücke wie dargestellt auszubilden. Während aus 8 ein lediglich vorverformter Teil 1 dargestellt ist, zeigt die 9 den Teil 1 in der Endform, bei eingefahrenem Stempel 16. Um die gestrichelt angedeuteten Ausbeulungen 22 nach innen zu vermeiden, ist der Hohlraum 10 mit einem stützenden Medium zu füllen.
  • Das Werkzeug 4 der 10 und 11 unterscheidet sich nicht in der Wirkung, sondern lediglich im Aufbau von der Bauart gemäß den 8 und 9. Die Matrize 12 besteht hier aus zwei Teilen 23, 24, wobei der Teil 24 in der Wanne 17 eine Einbauwanne 25 aufweist. Die Paßstücke 26 sind mit den Paßstücken 19 vergleichbar, ebenso der Stempel 16. Auch hier ist das vorgeformte Rohr 1 mit einem Medium befüllt, das eine innere Stütze nach allen Seiten darstellt. Die 8 bis 11 zeigen deutlich, wie z. B. enge Radien ausgeformt werden können, wenn man nach der Lehre des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeht.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei der mehrere formende Arbeitsstufen in mindestens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, bei denen von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Rohren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird, wobei durch mindestens eine vorverformende Arbeitsstufe das jeweilige Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsetelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Endverformungsstufe beibehalten werden, und wobei die Endverformung in einem Stempel-Matrize-Werkzeug durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Endverformung bei stützendem Innendruck in dem Rohr während des Einfahrens des Stempels in die Matrize erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rohr beliebigen Querschnitts in einer vorverformenden Arbeitsstufe die bei der Endverformung beizubehaltenden Querschnittsumfänge durch Expandieren mit oder ohne axiales Stauchen erhalten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rohr beliebigen Querschnitts in einer vorverformenden Arbeitsstufe die bei der Endverformung beizubehaltenden Querschnittsumfänge durch Querschnittsverengung erhalten werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß – ein gerades Rohr beliebigen Querschnitts auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird, – dieses so vorbehandelte Rohr mit oder ohne Innendruck durch Quetschen weiter verformt wird und – dieses weiterverformte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform gebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Quetschen ein Biegen durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Quetschen ein Biegen durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß – ein gerades Rohr beliebigen Querschnitts auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird, – dieses weiterverformte Rohr anschließend gebogen wird und – dieses so behandelte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform gebracht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Rohr beliebigen Querschnitts gebogen wird, – dieses Rohr auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird und – das so behandelte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform gebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Endformung ein Quetschen des Rohres mit oder ohne Innendruck durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß – ein gerades Rohr auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird, – das so vorgeformte Rohr in jedem einzelnen Querschnitt auf Endform gebracht wird und – dieses so vorgeformte Rohr durch Biegen in die endgültige Form gebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Formen des Rohres auf Querschnittsumfänge der Endform ein Quetschen mit oder ohne Innendruck durchgeführt wird.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, die von einer IHU-Form und einem Stempel-Matrize-Werkzeug gebildet ist und in der mehrere formende Arbeitsstufen durchlaufen werden, wobei in einem Formwerkzeug durch eine vorverformende Arbeitsstufe das Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsstelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Enrdverformungsstufe beibehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (12) des Stempel-Matrize-Werkzeuges (4) von einem Block gebildet ist, der eine Ausfräsung (11) aufweist, in die ein Stempel (16) eingreift, der eingefahren zusammen mit den seitlichen Teilen und dem Baden der Ausfräsung (11) die Endform des zu fertigenden Teiles umreißt, und daß in dem Rohr (1) ein stützender Innendruck anlegbar ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Biegemaschine (3) vorgesehen ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Ausfräsung (11) mit Schiebern abgedichtet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (12) des Stempel-Matrize-Werkzeuges (4) als Wanne (17) ausgebildet ist, wobei in die Wanne (17) Paßstücke (19) einsetzbar sind, die mit den einander zugekehrten Flächen, mit den Flächen einer Vertiefung (18) der Wanne (17, vgl. auch 25) und mit dem Stempel (16) die Endform des zu fertigenden Teiles umreißt.
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