DE19954989A1

DE19954989A1 - Vorrichtung und Verfahren eines Innendichtungssystems beim Innenhochdruckumformen zur Reduzierung des Hochdruckraumes und zur Abstützung des Materialflusses beim Nachschieben

Info

Publication number: DE19954989A1
Application number: DE1999154989
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Groll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-17

Abstract

Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung DOLLAR A Beim Innenhochdruckumformen bewirkt der hohe Innendruck die Umformung (Hauptfunktion) und beim Nachschieben das Stützen der Wand gegen Ausknicken (Nebenfunktion), allerdings mit dem Nachteil, daß der gewünschte Werkstofffluß durch hohe Reibung behindert wird. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Durch die Trennung des Hochdruckbereiches (1) und des Stützbereiches (2) durch eine (radialexpandierende) Innendichtung (3) und geeigneter Stützelemente (4) wird der Werkstofffluß erleichtert und geringere Schließkräfte möglich. Damit können kostengünstige Maschinen eingesetzt und die Verfahrensgrenzen verschoben werden. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Beim Umformen mit Innendrücken wird mit der Erfindung das Nachfließen des Werkstoffes erleichtert. Damit können größere Werkstoffverschiebungen erreicht werden und größere Umformungen erreicht werden. Die Verfahrensgrenzen werden erweitert. Zusätzliche Arbeitsgänge wie Zwischenglühen und weitere Innenhochdruckumformungen werden eingespart.

Description

Technisches Gebiet, in dem die Erfindung verwendet wird

Im Bereich der Umformtechnik wird verstärkt das Innenhochdruckumformen (IHU) ein gesetzt, um Leichtbauwerkstücke wirtschaftlich herzustellen.

Das Umformprinzip des Innenhochdruckumformens besteht darin, Hohlkörper, wie z. B. Rohre unter hohen Druck zu setzen, der die Wand des umzuformen Hohlkörpers gegen eine geschlossene Werkzeugkontur drückt, um einen gewünschten Querschnittsverlauf des Werkstückes zu erzeugen.

Stand der Technik

Zur Abdichtung werden überwiegend metallische Dichtungen (stirnseitige Dichtung, Ke geldichtung) an den Rohrenden eingesetzt [1]. Diese Dichtungen verschleißen leicht. Die Grenzflächen der metallischen Dichtkanten kontaminieren mit Werkstückwerkstoff. Durch die Abdichtung werden die Werkstücke beschädigt oder verformt. Das Material in dem Bereich der Dichtkanten muß in der Regel durch zusätzliche Arbeitsgänge abge schnitten werden.

Seltener werden Umfangsdichtung verwendet, die sich auf einem metallischen Kern abstützen, der radial starr ist. Diese Abdichtungsart ist in der Regel störanfällig, da sie beim Einschieben in die Werkstücke beschädigt wird. Wegen der Gefahr der Beschä digungen werden diese Dichtungen auch nicht tief in den Hohlkörper eingeschoben.

Technisches Problem, das der Erfindung zugrundeliegt

Der eigentliche Umformbereich des Werkstückes ist meist partiell begrenzt. Wegen der Abdichtung am Ende des Hohlkörpers muß er aber über die gesamte Länge mit dem Hochdruck beaufschlagt werden. Um größere Umformungen zu erzielen, ist eine axiale Werkstoffverlagerung in den Hochdruckbereich erwünscht. Der Innenhochdruck, der eigentlich nur in der Umformzone benötigt wird, behindert wegen der auftretenden Rei bungskräfte durch den hohen Innendruck im Stützbereich das Nachfließen des Werk stoffes. Beim Nachschieben müssen die Reibungskräfte überwunden werden. Die aber Druckspannungen in der Hohlkörperwand bewirken. Schon nach kurzen Entfernungen von der Stelle an der die Nachschiebekraft eingeleitet wird werden Druckspannungen erreicht, die über der Fließspannung liegen. Die Wanddicke nimmt infolge des Stau chens ungewollt zu. Das axiale Nachfließen des Werkstoffes stoppt den Werkstoff. Die erwünschte Werkstoffverlagerung in die Umformzone ist wegen des auch im Stützbe reich wirkenden hohen Druckes nur über kurze Wege möglich [2].

Reduziert man den Innendruck, sinken zwar die Reibungskräfte an der Außenwand. Mit geringem Innendruck entstehen aber Falten oder das Rohr knickt ein. Eine andere Verfahrensgrenze ist erreicht.

Der Hochdruck im Stützbereich bewirkt einen weiteren Nachteil:
Es müssen daher größere, teuere Pressen eingesetzt werden und die Verfahrensko sten steigen.

Ausgangspunkt für die erfinderische Lösung

Das Problem wird durch ein Dichtungs- und Stützungssystem gelöst, das im Stützbe reich (2) die Rohrwand definiert vorspannen kann und den Stützbereich von dem Hoch druckbereich (1) durch eine Innenabdichtung (3) trennt. Die Beschränkung des Hoch druckes auf den Umformbereich wird durch eine radialexpandierende Innendichtung (Anspruch 1) ermöglicht.

Die Stützspannung in der Hohlkörperwand wird nur in der Größe eingestellt, mit der ein Ausknicken des Rohres verhindert wird. Die Stützwirkung wird nach Anspruch 2 durch die Vorspannung von flexiblen Werkstoffen erreicht. Dabei wird die zulässige Fließ spannung nicht überschritten und eine bleibende Verformung unterbleibt.

Das Stützsystem ist

- von dem Innenhochdruck unabhängig,
- es ist in der Lage im gesamten Einlaufbereich bis kurz vor dem Umformbereich axiale Kräfte aufzunehmen,
- es leitet einen Teil der Nachschiebekräfte über die Innenwand des Hohlkörpers ein.

Das Dichtungssystem

- trennt den Stützbereich von dem Hochdruckbereich,
- es ermöglicht ein Einführen des Dichtungssystemes in den Hohlkörper ohne die flexible Dichtung (Anspruch 1) zu beschädigen.

Durch die Trennung des Hochdruckraumes und des Stützbereiches kann eine Stützwir kung mit definierten Drücken im Stützbereich (Anspruch 3) oder mit mechanischen Stützelementen (Anspruch 4) ohne Verwendung von flexiblen Werkstoffen erfolgen.

Durch die Abstützung mit flexiblen Werkstoffen und/oder mechanischen Bauteilen kön nen zusätzlich über die Innenwand Nachschiebekräfte (Anspruch 5) eingeleitet werden. Die Nachschiebekräfte wirken näher an dem Umformbereich und erleichtern das Nach schieben.

Die gleiche Wirkung kann erzielt werden, wenn im Stützbereich Druckspannungen von außen in den Hohlkörper eingeleitet werden und die Innenwand auf einen Kern abstüt zen. Wird der Kern vorgeschoben, so wird über Reibungskräfte das Material in den Umformbereich verlagert (Anspruch 6).

Die axialen Kräfte zum Trennen des Hochdruckraumes und zum Nachschieben über die Innenwand müssen axial abgeleitet werden. Dazu werden die zentrisch angeordneten Druckrohre verwendet. Die Krafteinleitung erfolgt über mechanische Stützelemente oder über Reibungskräfte mit Hilfe der vorgespannten flexiblen Materialien (Anspruch 7).

Um für die Bauteile für das Dichtungs- und Stützsystems den erforderlichen Einbau raum bereitzustellen, müssen die Baugrößen der Rohre für das Druckmedium klein sein. Dies wird durch Schrumpfverbände erreicht (Anspruch 8).

In Fig. 1 wird das Innendichtungssystem in den umzuformenden Hohlkörper eingeführt. Beim Einschieben in den Hohlkörper ist die radialexpandierende Abdichtung in der Ausgangsstellung und wird so vor Beschädigungen geschützt. In Fig. 2 ist die Position erreicht, in der die radiale Expansion der Dichtung erfolgt. In dieser Position wird durch mechanische, pneumatische oder hydraulische Betätigungselemente die Spannhülse (5) vorgeschoben. Das flexible Material (4) wird axial zusammengedrückt. Aufgrund der Volumenkonstanz stützt es sich zentral auf der Spannhülse ab und expandiert nach außen bis seine Grenzfläche außen an der Innenwand des Hohlkörpers anliegt. Jetzt steigt der innere Druck innerhalb des flexiblen Materials.

Der Druck

- dehnt den Hohlkörper elastisch nach Außen. Damit wird die Stützfunktion gegen das Ausknicken erreicht und Normalkräfte für die Übertragung von Nachschiebe kräfte erzeugt.
- schiebt den Dichtungsspanner (6) vor bis die radialexpandierende Dichtung gegen die Innenwand des umzuformenden Hohlkörpers stößt.

Die Kraft, mit der der Dichtungsspanner vorgeschoben wird, ergibt sich aus dem Pro dukt der im flexiblen Material wirksamen Druckspannung und der wirksamen Fläche am Dichtungsspanner. Die Drücke in der Dichtung und im flexiblen Material verhalten sich etwa umgekehrt proportional zu den Flächen. Mit den Verhältnis der Flächen wird der höhere Druck in der Abdichtung erreicht.

In Fig. 3 ist die Situation nach der Expansion der Dichtung dargestellt. In dem Stützbe reich ist der Hohlkörper bis an die Streckgeräte vorgespannt. Die Dichtung (3) ist aktiv. Im Umformbereich wird jetzt der Umformdruck erzeugt. Gleichzeitig wird das gesamte Innendichtungssystem (3, 4, 5, 6, 7, 8) in der Regel hydraulisch, mechanisch oder pneu matisch nach vorne geschoben. Über die Reibungskräfte wird der Werkstoff in den Umformbereich nachgeschoben.

Fig. 5 zeigt ein Innenspannungssystem nach Anspruch 4, bei dem die Abstützung und das Nachschieben zusätzlich mit mechanischen Elementen unterstützt wird.

Die Vorteile der gefundenen Lösungen

Die beschriebenen Lösungen erleichtern den Werkstofffluß beim Nachschieben und ver kleinern den Hochdruckraum. Anspruchsvollere Umformaufgaben können realisiert werden. Bei Umformaufgaben mit großen Querschnittsveränderungen kann auf ein Zwischenglühen und einen zweiten IHU-Arbeitsgang verzichtet werden. Es werden geringere Schließkräfte und damit kleinere Maschinen benötigt. Das Material, das nur für die Dichtfunktion benötigt wurde, kann eingespart werden. Die unnötigen Arbeitsgänge zum Abschneiden des Material, das nur für Dichtzwecke benö tigt wurde, kann eingespart werden.

Literatur

[1] A. Eichhorn, J. Mogdans: Umformen und Lochen mit Innenhochdruck
Blech Rohre Profile 43(1996) 1/2, 67-71
[2] S. Lichtenberg, H.-G. Hoff: Stand der Innenhochdruckumformung in Deutschland
Blech Rohre Profile 43(1996) 1/2, 40-46
[3] A. Birkert; Berechnung erforderlicher Kalibrierdrücke beim IHU
Blech Rohre Profile 3(1999), 48-51

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine radialexpandierende Innenabdichtung (3), die beim Einschieben in den Hohlkörper geschützt ist und ihre Dicht funktion durch radiale Expansion übernimmt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ab stützung der Innenwand außerhalb (2) des Hochdruckraumes durch flexible Materialien (4), die den Hohlkörper gegen Knicken abstützt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ab stützung der Innenwand mit einem oder mehreren hydraulischen Druckräumen (2) mit redu ziertem Innendruck. Die Abstützdruckräume werden vom Hochdruckraumes getrennt. Der Stützdruck kann unabhängig vom erforderlichen Umformdruck geregelt werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mechani sche Stützelemente, die das Ausknicken verhindern. Mechanische Stützelemente können Federn, Spannkonen, Spreizdorne usw. sein.

5. Verfahren und Vorrichtung, die beim Innenhochdruckumformen zusätzlich über die Innenwand Nachschiebekräfte bis an den Umformbereich einleitet. Zur Erzeugung der erforderlichen Normalkraft können expandierende Elemente nach Anspruch 2 und/oder An spruch 3 und/oder Anspruch 4 eingesetzt werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, gekennzeichnet durch Druckspannungen auf die Außenwand des Werkstückes (Hohlkörper), um die Innen wand auf einen Kern oder mechanische Elemente nach Anspruch 4 abzustützen und über Reibungskräfte oder Formschluß an der Hohlkörperinnenwand Nachschiebekräfte einzulei ten.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ablei tung der axial wirkenden Kräfte zum Trennen des Hochdruckraumes und zum Nachschieben über mechanische Stützelemente nach Anspruch 4.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schrumpf verbände um die Baugrößen Druckmedienzuführrohre zu reduzieren.