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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von quergewellten Rohren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von
Rohrkörpern mit zwischen glattwandigen Endabschnitten axial aufeinanderfolgenden
Querwellen (Umfangssicken) aus glattwandigen Ausgangsrohren, insbesondere für die
Verwendung als bei plötzlicher Verformung bleibend nachgiebig und ungerichtet verformbarer
Deformationskörper zwischen festen und beweglichen Teilen z.B. bei Kraftfahrzeugen,
bei welchen die Wellen in dem glattwandigen Ausgangsrohr mittels mindestens eines
in das Innere des Ausgangsrohres eingeführten Verformungswerkzeuges und einer das
Rohr außenseitig umgreifenden, innenseitig entsprechend den Querwellen profilierten,
axial geteilten Matrize durch radiales Auspressen der Rohrwand erzeugt -werden.
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Für die Herstellung quergewellter Rohrkörper der eingangs beschriebenen
Gattung sind die verschiedensten Verfahren bekannt. Sie sind entweder fertigungstechnisch
zu aufwendig, weil meist mehrstufig, oder mit Bezug auf die benötigten Werkzeuge
zu kompliziert, so daß sie allein aus Wirtschaftlichkeitsgründen für eine billige
Massenfertigung ausscheiden. Sie haben überdies zumeist den Nachteil, daß sie beim
Auspressen der Querwellen bzw. Umfangssicken' zu einer Reckung des Rohrwerkstoffes
führen, die einerseits eine Schwächung des Materialquerschnitts und andererseits
eine entsprechende Kaltverfestigung zur Folge hat. Beide Erscheinungen sind für
viele Verwendungszwecke unerwünscht.
Dies gilt insbesondere für
den Verwendungszweck als Deforma tionskOrper bei Sicherheitslenksäulen von Kraftfahrzeugen.
Abgesehen davon, daß es sich gerade dabei aus Kostengründen um möglichst billige
Massenteile handeln muß, hängt die bestimmungsgemäße Funktion dort in besonderem
Maße davon ab, daß die nachgiebige bleibende Verformung bei ungerichteten axialen
Stauchungen bis zum völligen Zusammendrücken einwandfrei erfolgt und nicht durch
örtliche Wandverdünnungen und dort womöglich zusätzlich verschlechterte Materialqualität
beeinträchtigt wird.
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Speziell dieser letztere Nachteil tritt gewöhnlich dann auf, wenn
die in axialer Richtung des Rohrkörpers unmittelbar hintereinander angeordneten
Querwellen oder Umfangssicken in einem Fertigungsgang gleichzeitig ausgepreßt werden,
wie es bei den meisten Herstellungsverfahren der Fall ist.
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Dies gilt insbesondere für diejenigen bekannten Verfahren, bei denen
entweder der entsprechend kompliziert ausgebildete spreizbare Innendorn oder die
das glattwandige Ausgangsrohr außenseitig umgebende und entsprechend geteilte Matrize
bezüglich ihrer Sickungswerkzeuge lediglich radial gegen die Rohrwand gepreßt werden,
und zwar einerlei, ob die Sickungswerkzeuge dabei hinsichtlich der einzelnen von
innen auszupressenden Sicken untereinander geteilt sind oder nicht.
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Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren liegt zusätzlich darin, daß
die Verformungswerkzeuge dabei meistens auch relativ zum Ausgangsrohr gedreht werden
müssen, um auf diese Weise in Umfangsrichtung wenigstens einigermaßen gleichförmig
ausgebildete Sicken oder Wellen zu erzielen.
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Um die Querwellen in Umfangsrichtung möglichst gleichförmig auszubilden,
ist es zwar bereits bekannt, das radiale Auspressen der Querwellen nicht unmittelbar
durch mechanische Verformungswerkzeuge vorzunehmen, sondern zwischen diesen und
der Wand des Ausgangsrohres einen flexiblen Schlauch aus elastisch und dabei im
wesentlichen ohne Volumenänderung verformbarem Werkstoff, wie Gummi oder gummiähnlichen
Kunststoff, einzuschalten. Auch dabei erfolgt jedoch das Auspressen aller Querwellen
des Rohrkörpers gleichzeitig bzw. in einem Arbeitsgang.
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Wenn das Auspressen der Querwellen dadurch auch schonender vor sich
geht, so hat dieses Verfahren dennoch ebenfalls den Nachteil, daß der Rohrwerkstoff
während des Verformungsvorganges, namentlich bei tiefen Querwellen, gereckt wird.
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Um eine Schwächung der Rohrwand im Bereich der Querwellen zu verhindern,
ist es zwar auch schon bekannt, die Querwellen in zwei Arbeitsstufen herzustellen,
indem diese in der ersten Stufe nur vorgeformt und erst in der zweiten Stufe innerhalb
einer innen glatten Matrize durch axiales Stauchen des Rohrkörpers fertig geformt
werden. Dieses auch für Rohre kleineren Durchmessers anwendbare Prinzip hat jedoch
den Nachteil, daß es für billige Massenartikel fertigungstechnisch zu aufwendig
ist und die in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Querwellen beim axialen Stauchen
infolge Fehlens eines geeigneten Innenwerkzeuges keine genügend gleichförmigen Konturen
erhalten.
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Diesen Nachteil vermeidet zwar ein vom Werkzeugaufwand her sehr kompliziertes
Verfahren, bei dem die in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Querwellen gegen
einen entsprechend profilierten Innendorn durch auf der Außenseite der Rohrwand
radial angreifende Kränze von Verformungswerkzeugen ausgepreßt werden, wobei jeder
Querwelle ein eigener Kranz von Verformungswerkzeugen
zugeordnet
ist, die in einem Arbeitsgang nacheinander gegen die Rohrwand gepreßt werden. Auch
dieses Verfahren ist jedoch kompliziert, zumal es eine in Umfangsrichtung gleichmäßige
Ausformung der Querwellen nur für den Fall der gleichzeitigen Relativverdrehung
ermöglicht. Zum anderen vermeidet es auch nicht den grundsätzlichen Mangel nachteiliger
Materialbeanspruchung beim Ausformen der Sicken, so daß es sich insbesondere nicht
für die billige Massenfertigung von gewellten Rohrkörpern für Deformationskörper
mit aus Sicherheitsgründen dennoch hohem Qualitätsanspruch hinsichtlich Gleichförmigkeit
sämtlicher Querwellen ohne schädliche Materialveränderung im Sickungsbereich eignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, quergewellte Rohrkörper
der eingangs beschriebenen Gattung auf fertigungstechnisch und werkzeugtechnisch
einfache Weise billig herzustellen, bei denen die Querwellen völlig gleichförmig
ausgebildet sind und bei ihrem Auspressen keiner unzulässigen Reckung und daraus
herrührenden Wandverdünnung und wesentlichen Kaltverfestigung unterworfen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich das erfindungsgemäße
Verfahren dadurch, daß die Querwellen bei miteinander verriegelten Matrizenhälften
und axial frei nachziehbarem einen Rohrende vom gegenüberliegenden Rohrende ausgehend
in axialer Richtung nacheinander mittels eines im Ausgangszustand zylindrischen
und in der Länge kürzer als die doppelte Wellenbreite bemessenen, sich unter dem
axialen Druck von in beiden Rohrenden eingreifenden und axial sowohl gegenüber der
Matrize als auch gegeneinander verstellbaren Stempeln radial ausdehnenden Verformungswerkzeuges
aus dauerelastwohemund dabei im wesentlichen ohne Volumenveränderung verformbarem
Werkstoff gebildet werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, hinsichtlich ihres Qualitätsstandards
auch für Deformationskörper geeignete quergewellte Rohrkörper mit fertigungstechnisch
einfachen Mitteln wirtschaftlich herzustellen. Der einzige Verschleißteil bildet
dabei das axial kurz bemessene, billig herzustellende und leicht auszuwechselnde
Verformungswerkzeug aus dauerelastisch aber im wesentlichen hydraulisch verformbarem
Werkstoff, insbesondere Kunststoff.
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Dadurch, daß mittels dieses Verformungswerkzeuges jede Querwelle schrittweise
aufeinanderfolgend einzeln ausgepreßt wird, kann sich der Rohrwerkstoff beim Auspressen
der Umfangssicke vom jeweils freien Rohrende her ungehindert nachziehen, so daß
eine schädliche Reckung der Rohrwand beim Auspressen in jedem Falle vermieden wird.
Diese Verhältnisse bleiben bei allen nachfolgend hergestellten Querwellen dieselben.
Das natürliche Bestreben, eine unzulässige Naterialreckung durch selbsttätiges Nachziehen
des jeweils freien Rohrendes zu vermeiden, wird durch die Materialeigenschaft des
Verformungswerkzeuges noch begünstigt, da dieses im Zuge seiner Verformung die Neigung
hat, die Rohrwand durch Reibung mitzunehmen. Das vor der Verformung am Rohr anliegende
dauerelastische, als Innenwerkzeug dienende Material drückt den jeweiligen Rohrabschnitt
in die Ausnehmung des als Matrize dienenden Außenwerkzeuges, wobei infolge des hohen
Reibungskoeffizienten keine oder kaum eine Materialverschiebung zwischen Rohrinnenwand
und drückendem Werkzeugmaterial erfolgt.
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Diese Wirkung läßt sich durch die Wahl entsprechender Werkstoffqualitäten
für das Verformungswerkzeug sowie ferner dadurch verbesse#rn, daß das scheibenförmige
Verformungswerkzeug in seiner axialen Erstreckung nur wenig größer als eine Wellenbreite
bemessen wird. Auf diese Weise preßt sich das Verformungswerkzeug im Zuge seiner
axialen Druckbeanspruchung radial weitgehend in die Umfangssicken hinein, ohne seinerseits
durch zu hohe Reibung an der Rohrwand außerhalb der Sicken in seiner bestimmungsgemäßen
Verformung gehindert zu werden. Auf der anderen Seite muß die axiale Länge des Verformungswerkzeuges
natürlich in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und der Größe bzw. Tiefe der Sicken
groß genug gewählt werden, um beim Auspressen der
Sicken eine überall
gleichmäßige Anlage in den entsprechenden Profilrillen der Matrize zu erreichen
und dadurch sicherzustellen, daß sämtliche Querwellen des Rohrkörpers untereinander
völlig gleichförmig ausgebildet werden.
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Obschon als Werkstoff für das Verformungswerkzeug grundsätzlich insbesondere
hartgestelltes Gummi oder diesem ähnliche dauerelastische Kunststoffe mit den angegebenen
Verformungseigenschaften in Betracht kommen, wird dafür erfindungsgemäß bevorzugt
Polyurethan-Elastomer verwendet.
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Eine besonders einfache und daher bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens besteht aus einer axial geteilten Matrize mit einer den Querwellen
entsprechenden Innenprofilierung, deren beide Hälften in der Schließstellung miteinander
verriegelbar sind, je einem in die beiden Öffnungen der Matrize eingreifenden, axial
verstellbaren Stempel mit den Innenabmessungen des glattwandigen Ausgangsrohres
angepaßten Außenabmessungen sowie einem als Verformungswerkzeug dienenden scheibenförmigen
Körper aus dauerelastisarm und dabei im wesentlichen ohne Volumenänderung verformbarem
Werkstoff mit im Ausgangszustand den Innenabmessungen des Ausgangsrohres angepaßtem
Querschnitt und einer axialen Länge, die kleiner als die doppelte Wellenbreite bemessen
ist.
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Zweckmäßig ist dabei einer der beiden Stempel als insbesondere hydraulisch
axial verstellbarer Druckstempel ausgebildet, während der ihm axial gegenüberliegende
zweite Stempel einen das Verformungswerkzeug in der jeweiligen Sickenstellung festhaltenden,
entsprechend dem Wellenabstand stufenweise verstallbaren und in der jeweiligen Stellung
feststellbaren Haltestempel bildet.
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Infolge dieses einfachen und schnellwirkenden Aufbaus der Vorrichtung
lassen sich die quergewellten Rohrkörper trotz des zeitlich aufeinanderfolgenden
Auspressens der einzelnen Querwellen in äußerst kurzer Zeit weitgehend automatisch
herstellen.
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Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß einem weiteren Merkmal
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestempel mit einem diesen stufenweise
verstellenden Schritt-Schaltwerk gekuppelt ist, dessen Schaltstufen entsprechend
der Anzahl der je Rohrkörper herzustellenden Querwellen gewählt sind. Das Zurückführen
des Haltestempels in die Ausgangsstellung beim Einsetzen eines neuen Ausgangsrohres
kann gleichfalls automatisch, und zwar zweckmäßig hydraulisch erfolgen.
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Das zwischen den Stirnenden der beiden Stempel eingeschaltete scheibenförmige
Verformungswerkzeug ist zweckmäßig mit dem Stirnende eines der beidenStempel, vorzugsweise
mit dem Stirnende des Haltestempels, lösbar und daher leicht auswechselbar verbunden.
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Obschon die Erfindung bevorzugt zur Herstellung kreisrunder, quergewellter
Rohrkörper dient, ist sie hierauf grundsätzlich nicht beschränkt. Demzufolge können
die Profilbacken der Matrize innenseitig sowie die Stempel auch eine von der Kreisform
abweichende Gestalt bzw. Querschnittsform aufweisen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen als Deformationskörper dienenden,quergewellten
Rohrkörper im Längsschnitt,
Fig. 2 schematisch zwei verschiedene
Verformungsstel-und 3 lungen im Längsschnitt durch die Vorrichtung und Fig. 4 das
Schema des Verfahrensablaufsin verschiedenen Stellungen des Schritt-Schaltwerks.
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Der in Fig. 1 veranschaulichte quergewellte Rohrkörper 1 ist aus
einem glattwandigen Ausgangsrohr hergestellt, das etwa die Abmessungen 60,0 x 1,0
x 210 mm aufweist. Im fertigen Zustand weist es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sieben im Querschnitt runde Querwellen bzw. Umfangssicken 2 auf, die eine Tiefe
von etwa 7 mm besitzen. Die Wandstärke beträgt auch im Wellenscheitel überall 1,0
mm oder weicht hiervon doch nur höchstens um hundertstel Millimeter ab. Ähnlich
enge Toleranzgrenzen bestehen auch bezüglich der Tiefe der einzelnen Querwellen
2. Der fertige Rohrkörper 1 weist eine axiale Länge von etwa 140 mm auf. Die beiden
glattwandigen Endabschnitte 3 und 4 entsprechen in den Abmessungen dem Ausgangsrohr,
da sie bei der Fertigung unverformt bleiben. Das untere glatte Ende 4 wird mit einer
Nabe od. dgl. des unteren Teils der Lenksäule verschweißt oder in anderer Weise
drehfest verbunden, während der obere glatte Endabschnitt 3, wie in Fig. 1 dargestellt,
kronenförmig ausgeklinkt wird, um ihn nach dem Umbördeln mit dem Lenkradstern verschweißen
zu können.
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Wie aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 2 und 3 hervorgeht,
wird das glattwandige Ausgangsrohr in eine Matrize 5 eingesetzt, die (in der Zeichnung
nicht dargestellt) längsgeteilt ist und deren beide Hälften 5a und 5b in der veranschaulichten
Schließstellung miteinander verriegelt sind (nicht dargestellt).
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Die beiden Backenhälften der Matrize 5a und 5b weisen innenseitig
eine den gewünschten Querwellen entsprechende Profilierung 6 auf, wobei die Profilvorsprünge
6a im geschlossenen Zustand der Matrize einen geschlossenen Kreis ergeben, dessen
Durchmesser dem Außendurchmesser des Ausgangsrohres entspricht.
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Mit 7 ist ein Matrizenhalter bezeichnet, der unmeteilt ausgebildet
ist und lediglich eine abgestufte Bohrung 8, 8a aufweist. Während die im Durchmesser
größer bemessene Bohrungsstufe 8a zur spielfreien Aufnahme des unteren Endabschnittes
4 des Rohres dient, bildet der im Durchmesser kleinere Bohrungsabschnitt 8 die Durchtrittsöffnung
für einen axial verstellbaren und in der jeweiligen Stellung feststellbaren Haltestempel
9.
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Am oberen Stirnende des Haltestempels 9 ist lösbar bzw. auswechselbar
das Verformungswerkzeug 10 befestigt. Das Verformungswerkzeug 10 besteht aus einem
dauerlastischen Kunststoff, insbesondere Polyurethan-Elastomer und weist im Ausgangszustand,
wie in Fig. 2 in der rechten Hälfte und in Fig. 3 in der linken Hälfte veranschaulicht
ist, Scheibenform auf, wobei die axiale Höhe der Scheibe nur wenig größer als die
axiale Breite der ausgepreßten Wellen 2 bemessen ist, während der Außendurchmesser
etwa dem Innendurchmesser des Rohres entspricht.
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Mit 11 ist ein von oben her in die Matrizenöffnung eingeführter,
hydraulisch betätigter Druckstempel bezeichnet, mittels welchem unter Verwendung
des Haltestempels 9 als Widerlager das scheibenförmige Verformungswerkzeug 10 axial
gestaucht und dadurch radial verbreitert wird. Auf diese Weise werden die einzelnen
Querwellen bzw. Umfangssicken radial ausgepreßt, wie in Fig. 2, links und in Fig.
3, rechts veranschaulicht ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 wird mit dem Auspressen
der Umfangssicken bzw. Querwellen 2 am unteren
Ende des Rohres
begonnen. Bei dem Auspressen der ersten Sicke kann sich die Rohrlänge noch von beiden
Enden her verkürzen.
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Bereits beim Auspressen der nachfolgenden Sicke ist diese ungehinderte
Längenverkürzung des Rohres nur noch vom jeweils freien Ende her möglich.
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Wie in Fig. 4 schematisch veranschaulicht ist, wird die axiale Verstellung
des Haltestempels 9 durch ein sich um seine Achse drehendes, angetriebenes Schritt-Schaltwerk
12 bewirkt, dessen aufeinanderfolgende Stufen 12a derart bemessen sind, daß jede
folgende Stufe der nächstfolgenden Haltestellung des Stempels 9 entspricht, in welcher
mittels des Verformungswerkzeuges 10 und des Druckstempels 11 die nächstfolgende
Umfangssicke ausgepreßt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist mit der Herstellung
der ersteniUmtfangssicke am oberen Ende des Rohres 1 begonnen worden, und es/insbesondere
aus den beiden mittleren Darstellungen der Fig. 4 ersichtlich, wie sich im Zuge
des Auspressens der weiteren, nach unten zu folgenden Umfangssicken das untere Rohrende
entsprechend verkürzt.
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In der rechten Darstellung der Fig. 4 ist schematisch die Stellung
der Matrizenhälften 5a und 5b sowie der Stempel 9 und 11 veranschaulicht, sobald
das Rohr 1 fertiggewellt ist und die beiden Matrizenhälften 5a und Sb auseinandergefahren
sind, um es aus der Matrize zu entfernen und statt dessen ein neues glattwandiges
Ausgangsrohr einzusetzen.
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Die unteren Darstellungen in Fig. 4 stellen Draufsichten auf die
Schaltstufen 12a des Schritt-Schaltwerks 12 dar, wobei der jeweils schraffierte
Kreis 13 die Aufstützstelle des Haltestempels 9 veranschaulicht. Mit 14 ist ein
Hydraulikzylinder
bezeichnet, mittels dessen Kolbenstange 14a der
Haltestempel 9 axial verstellbar ist und insbesondere in die ganz in die Matrize
eingefahrene Stellung zu Beginn des neuen Arbeitsvorganges ausgefahren werden kann.