DE2925579C2

DE2925579C2 - Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstücken durch Verformung

Info

Publication number: DE2925579C2
Application number: DE19792925579
Authority: DE
Inventors: Jurij Fedorovi&ccaron; Busel; Semen Grigorievi&ccaron; &Ccaron;eboksary Chisin; Anatolij Dmitrievi&ccaron; Kiev Krizky; Vladimir Vasilievi&ccaron; &Ccaron;eboksary Polyakov; Eduard Karpovi&ccaron; Posvyatenko; Aleksandr Mineevi&ccaron; Rozenberg; Oleg Aleksandrovi&ccaron; Kiev Rozenberg
Original assignee: INSTITUT SVERCHTVERDYCH MATERIALOV AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEV SU
Current assignee: INSTITUT SVERCHTVERDYCH MATERIALOV AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEV SU
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1979-06-25
Publication date: 1985-06-27
Also published as: DE2925579A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstükken durch Verformung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Werkzeug ist aus der Zeitschrift »Bänder, Bleche, Rohre« 9-1975, S. 347 bis 349, bekannt. Es geht dabei insbesondere um Werkzeuge für das Aufweiteziehen von Rohren (Ziehdorne).

Beim Aufweiteziehen von starkwandigen Teilen, z. B. Zylindern von Erdölpumpen, Kolbenbolzen von Verbrennungsmotoren, Hülsen von Raupengliedern und dgl. sind die Ziehdorne hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Sie bestehen meist aus verschleißfesten und dabei verhältnismäßig spröden Werkstoffen, und die Beanspruchungen sind, wenn das Rohr über das Verformungselement gezogen wird, vorwiegend Biege- und Druckbeanspruchungen. Da die Werkstoffe des Ziehdorns, insbesondere schwere Legierungen, Keramik u. a., gegenüber Biegebeanspruchungen zwei- bis dreimal weniger widerstandsfähig sind als gegenüber Druckbeanspruchungen, kommt es meist zu Zerstörungen aufgrund dieser Biegebeanspruchungen.

Zur Illustration dieser Zusammenhänge soll die Fig.4 dienen, die während des Prüfungsverfahrens nachgereicht wurde. Es ist hier schematisch gezeigt, wie ein bekanntes Verformungselement 1 mit Preßsitz auf einem Aufnahmedorn (Ziehstange) 2 sitzt. Die Flächenpressung ρ verteilt sich über die gesamte Länge des Verformungselements 1, and es kommt zu einer (aus Gründen der Deutlichkeit übertrieben dargestellten) F.inschnürung des Aufnahmedorns 2, wobei bcidseits in schon nicht mehr mit dem Verformungselement 1 in t>o Berührung stehenden Bereichen 20 und 21 Deformationen auftreten. An der Verformung des Verformungselements 1 ist zu sehen, daß aufgrund der Verteilung der Flächenpressungen dieses Verformungselement einer Biegung unterworfen wird, die bei spröden Werkstoffen des Verformungselements bereits gefährliche Werte annehmen kann. Dies kann dann vollends zu Zerstörungen führen, wenn im Betrieb sich weitere Biegebeanspruchungen überlagern, die aus den an der Arbeitsfläche angreifenden, in Axialrichtung wirkenden Reibungskräften resultieren.

Der Nachteil der bekannten Verformungswerkzeuge ist also darin zu sehen, daß bereits durch das Aufschrumpfen auf dem Aufnahmedorn Biegebeanspruchungen auftreten, die schon für sich gefährlich Werte annehmen können.

An sich ist aus der Elastizitätstheorie bekannt. daß die Biegebeanspruchungen fast vollständig durch eine Anordnung gemäß der ebenfalls während der Prüfung nachgereichten F i g. 5 vermieden werden können, bei der das Werkzeug 1 die Gestalt eines schmalen Rings hat, der auf eine Stufe 22 des Aufnahmedorns aufgeschrumpft ist. Bei einer solchen Ausbildung kann es jedoch sein, daß die l^ängserslrcckung des Verformungselemcms in Axialrichtung nicht ausreicht, um den bei den Zichvorgängen auftretenden Beanspruchungen und Deformationen standzuhalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Schaffung eines Werkzeugs zur spanlosen Aufweiteverformung von Werkstücken, das erhöhten Belastungen standhält und weniger bruchgefährdet ist. Diese Aufgabe wird Erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einer solchen Ausbildung ergibt sich eine Verringerung der Biegespannungen beim Aufschrumpfen ebenso wie auch im Betrieb. Diese Verringerung der Biegespannungen gestattet es, die Elemente aus Legierungen mit niedrigem Gehalt an Bindemetall anzufertigen, die eine erhöhte Verschleißfestigkeit aufweisen und nicht zur Adhäsion an dem bearbeiteten Werkstück neigen. Dabei wird eine Erhöhung der Oberflächengüte und Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Oberflächenschicht erzielt.

Zweckmäßigerweise ist die Paßfläche des Aufnahmedorns in der der Eingriffszone gegenüberliegenden Zone kegelförmig auszuführen. Dies erleichtert die Eingrenzung des Preßsitzes auf die gewünschte Erstrekkung unter Einhaltung der Berechnungsquerabmessungen der Paßflächen.

Die Konizität der Paßfläche des Aufnahmedorns beträgt dabei zweckmäßigerweise von 0.001 bis 0,15. Dies ergibt eine optimale Länge des Abschnittes der Übermaßpassung sowie dessen Lage innerhalb der Wirkungszone der Radialbeanspruchung.

Vorzugsweise ist die Paßfläche des Verformungselements in der Zone des Preßsitzabschnitts zylinderförmig auszuführen. Dabei wird die Größe des Übermaßes im zusammengebauten Werkzeug veränderlich und steigt in Richtung der Vergrößerung der Querabmessung (Durchmessers) der kegelförmigen Paßfläche des Aufnahmedornes. Diese Verteilung des Übermaßes in der Wirkungszone der Radialbeanspruchung entspricht der Verteilung dieser Beanspruchung im Bearbeitungsprozeß.

Ein so ausgebildetes Werkzeug erfüllt die Forderung nach gleichmäßiger Festigkeit, denn die Ausbildung mit kegeliger Paßfläche des Aufnahmedorns bestimmter Konizität und mit zylindrischer Paßfläche des Verformungselements gewährleistet, daß nach dem Aufschrumpfen des Verformungsclements die beidseits von der Preßsitzzone gelegenen Randabschnitte zuverlässig frei von Flächenpressungen bleiben, während im Betrieb durch die aufgrund der Biegebeanspruchung auftretenden Verformungen die Grenze der Fliichenpressungszone etwas wandern kann, was neue Bereiche /um

Tragen bringt, und auf diese Weise die Belastbarkeit des Verformungselenienis atifreehtcrhalten bleibt.

1st bei der Bearbeitung die Vorschubsrichtung des Werkzeugs gleich der Richtung der Vergrößerung des Durchmessers der Paßflächc des Aufnahmcdorns, so verringert dies die Gefahr einer eventuellen Zerstörung des Verformungselements durch Verschiebung desselben längs der Achse des Aufnahmedorns unter der Wirkung der axial gerichteten Reibungskräfte.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstücken durch Verformung mit einem Verformungselement,

Fig.2 die Wirkungszone der Radialbeanspruchungen des Verformungselementes,

F i g. 3 ein Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstücken durch Verformung mit mehreren, durch Abstandselemente getrennten Verformungselementen,

F i g. 4 und 5 schematisch die bereits betrachteten bekannten Ausbildungen ohne Anwendung des Erfinclungsvorsehlags und

Fig.6 die Wirkur.gssone der Radialbeanspruchung des Verformungselements mit Angabe kennzeichnender Abmessungen. (F i g. 4 bis 6 sind nachgereicht).

Das Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstücken durch Verformung enthält ein Verformungselement 1, einen Aufnahmedorn 2 und eine Hakerung 3.

Das Verformungselement 1 bewirkt die Verformung der inneren Werkstückoberfläche bei translatorischem Vorschub des Elementes 1 längs der zu bearbeitenden Oberfläche. Die Richtung des Arbeitsvorschubs des Werkzeuges ist mit dem Pfeil A angegeben.

Das Element ί hat die Form eines Ringes. An der Außenseite hat das Element 1 eine Arbeitsfläche 4 und an der Innenseite eine Paßfläche 5. Bei der Bearbeitung wirkt die Arbeitsfläche 4 in der Eingriffszone B (F i g. 2), begrenzt durch Schnittebenen C und D, drückend auf die WcrkMückinncnfläche. Der von den Ebenen C und I) begrenzte Kaum ist im Betrieb die Wirkungszone der Κ;κϋ;ι I beanspruchung.

Der Aufnithincdorn 2 besitzt einen Schaft 6 (Fig. 1), eine vordere Führung 7, einen Passungsabschnili 8 mit Paßfliichc 9 und einen Gewindekopf 10. Das Element 1 ist mit seiner Paßfliiche 5 auf die Paßfläche 9 des Aufnahmcdorns 2 aufgepreßt.

Die Paßfläche 9 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kegelförmig ausgeführt. Möglich ist auch eine z. B. zylinderförmige Form der Fläche 9. Die Querabmessung (vorliegend der Durchmessender Paßflächc 9 in der Zone £, die der Eingriffszone B gegenüberliegt und ebenfalls durch Ebenen Cund D begrenzt ist (F ig. 2), übersteigt die entsprechende Querabmessung der Paßflächc 5 des Verformungsclementes 1, so daß sich ein Preßsitz ergibt. Die Kegelform der Fläche 9 erleichtert die Eingrenzung des Preßsitzes in der WirkungsZone der Radialbeanspruchungen unter Einhallung d<ir Berechnungsquerabmessungen der Paßflächen 9 und 5. Dabei hat die Paßfläche 9 des Aufnahmedorns 2 im be*\>rzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Koni/"'ät von 0,001 bis 0,15, und die Paßfläche 5 des Verfo^r'nungselementes 1 ist zylinderförmig ausgeführt.

Ist J'e Paßfläche 5 zylinderförmig ausgeführt, so ist im Zusammengebauten Werkzeug die Übermaßgröße verändcr'ch und steigt in Richtung der Vergrößerung des Durchmessers der kegelförmigen Paßfläehe 9. 1st im Bearbcituiigspro/.eß die Richtung des Arbeitsvorschubs des crfinduiigsgcmäßcn Werkzeuges der Richtung der Vergrößerung des Durchmessers der Paßfläche 9 entgcs gengcsetzt. so entspricht die Übermaßverteilung in der Wirkungszone der Radialbeanspruchung der Verteilung dieser Beanspruchung, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch wird in dieser Zone die Anforderung der gleichmäßigen Festigkeit erfüllt Fällt bei der Bearbeitung die

ίο Vorschubrichtung des Werkzeuges mit der Richtung der Vergrößerung des Durchmessers der Paßfläche 9 zusammen, so verringert dies die Gefahr eventueller Zerstörungen, die durch Verschiebung des Verformungselcmentes 1 längs der Achse des Aufnahmedorns 2 unter der Wirkung der Reibungskräfte auftreten könnten.

Bei einer Konizität der Fläche 9 von -weniger als 0,001 wäre die Lage des Preßsitzabschnitts innerhalb der Wirkungszone der Radialbeanspruchung schwer zu garantieren und bei einer Konizität von mehr als 0.15 wäre der Preßsitzabschnitt nicht auf der notwendigen Länge gewährleistet.

Eine andere Ausführung der Paßflächen 9 und 15, z. B. als kegelförmige Flächen mit gleicher Konizität innerhalb der Wirkungszone der Radialbeanspruchung, erfordert die Einhaltung einer erhöhten Genauigkeit der Querabmessungen der Paßflächen.

Um das Zentrieren des Verformungselementes 1 zu ermöglichen und den Zusammenbau zu erleichtern, besitzt die Paßfläche 5 einen kegelförmig ausgeführten Abschnitt 11 (Eingangskegel). Die Konizität des Abschnittes 11 überschreitet die Konizität der Paßfläche 9. Die Halterung 3 legt das bzw. die Elemente 1 auf dem Aufnahmedorn 2 in Achsrichtung fest. Sie ist in Form

einer Überwurfmutter 12 ausgeführt, die auf den Gewindekopf IO des Aufnahmcdorns 2 aufgeschraubt wird. Dabei dient die Außenoberfläche der Überwurfmutter 12 als hintere Führung des Werkzeuges.
An der Stirnseite der Mutter 12 ist ein Schaft 13 ausgeführt, mittels dessen das Werkzeug in der dem Pfeil A entgegengesetzten Richtung gezogen werden kann. Wenn dies ein Bearbeiumgsgang ist. also die Vorschubrichtung des Werkzeugs der Richtung der Vergrößerung des Durchmessers der Paßfliiche 9 des Aufnahmedorns 2 entgegengesetzt ist, so dient die Außenoberfläche der Überwurfmutter 12 als vordere Führung des Werkzeuges und die vordere Führung 7 des Aufnahmedornes 2 als hintere Führung dieses Werkzeuges.
Zur Bearbeitung der Innenoberflächen von Werkstücken, die eine wesentliche Verformung erfordern, benutzt man ein Werkzeug mit mehreren Verformungselementen 1 (F i g. 3), die unter Zwischenlegung von Abstandselementen 14 hintereinander angeordnet sind. Die Anzahl der Verformungselemente 1 wird ausreichend zur Gewährleistung der erforderlichen Qualität der bearbeiteten Oberflächen gewählt. Dabei werden die Verformungselcmenic 1 so auf dem Aufnahmedorn angebracht, daß die Querabmessungen ihrer Arbeitsflächen 4 kontinuierlich mit dem Vorschub des Werkzeu-

bo ges ansteigen.

Jedes Abstandselement 14 besteht aus zwei Gewindehülsen 15 und 16, was den Zusammenbau des Werkzeug:, und die Auswechslung abgenutzter Teile erleichtert.

b5 Beim Zusammenbau des in Fig. 3 gezeigten Werkzeugs wird die Länge der Abstandselemente 14 mit Hilfe der Gcwindchülsen 15 und 16 minimal eingestellt. Dann werden auf der Paßfliiche 9 des Aiifnahmcdorncs

2 abwechselnd die Abstands- und Verformungselemente 14 bzw. 1 angeordnet. Nach dem Anbringen des ganzen Satzes dieser Teile wird auf den Gewindekopf 10 des Aufnahmedornes 2 die Halterung 3 aufgeschraubt, wodurch das letzte Verformungselement 1 auf der Paß- % fläche 9 des Aufnahmedornes bis zum Anschlag verschoben wird und in der Zone F der Preßsitz zustandekommt. Die Schaffung der geforderten Preßsitze der übrigen Verformungselemente 1 geschieht durch Einstellung der Abstandselemente 14.

Beim Auseinanderbau des Werkzeuges, der gewöhnlich zur Auswechslung abgenutzter Teile vorgenommen wird, wird zuerst die Halterung 3 abgenommen und dann der ganze Satz von Abstands- und Verforrnungselementen 14 bzw. 1 durch Vergrößerung der Länge des is ersten Abstandslementes 14 heruntergetrieben.

Beim Aufweiteziehen wirkt die Arbeitsfläche 4 des Verformungselementes 1 drückend auf die Innenoberfläche des Werkstücks. Das Verformungselement 1 wird einer Radialbeanspruchung ausgesetzt, welche wegen seines Preßsitzes auf dem Aufnahmedorn 2 auch diesen beaufschlagt, wodurch das Vcrformungselement J entlastet wird. Dies sowie die Entlastung von Biegebeanspruchungen beruht darauf, daß das Verformungselement nur auf einem Teil seiner länge, nämlich seinem mittleren Teil, mit Preßsitz auf den Aufnahmedorn aufgesetzt ist, und zwar in der Weise, daß der Preßsitzabschnitt sich unter bzw. gegenüber der zu erwartenden Eingriffszone B befindet. Dies ist in F i g. 2 und 6 gezeigt, wo auch ersichtlich ist, daß die beidseits des Preßsitzab-Schnitts gelegenen inneren Flächenabschnitte 11a und 116 der Sitzbohrung keine Berührung mit dem Aufnahmedorn 2 haben.

Wie die Untersuchungen gezeigt haben, ist im Vergleich zu den bekannten Ausbildungen auf diese Weise eine Verringerung der Biegebeanspruchungen um das 2- bis 3fache erzielbar. Dabei ergibt sich ein Werkzeug gleicher Festigkeit gegenüber den Biege- und den Druckbeanspruchungen bei Erfüllung der folgenden Beziehung:

formungselemente 1 gleich: der erste 25;JJ5, der zweite 25i|$, der dritte 25igJS und der vierte 25rSS?^mm· ^Der Abstand der Verformungselemente betrug 100 mm und die Konizität des Abschnittes 9 war gleich 0,01 . Die Länge der Abstandselemente 14 ließ sich bis auf 40 mm einstellen.

Obwohl bei den Erprobungen die Zugkraft an jedem Verformungselement 1 bei der Bearbeitung der genannten Buchsen im Bereich von 100 bis 120 kN lag, wurden die Verformungselemente nicht zerstört. Die wirkenden Spannungen in diesen vier Elementen 1 betrugen 456; 438;424bzw.412N/mm².

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

2 I 4

45

axiale Erstreckung der Eingriffszone B
axiale Abmessung des Verformungselements
Außendurchmesser des Verformungselements Innendurchmesser des Verformungseiemems Festigkeitsgrenze des Werkstoffs bei Biegebeanspruchung

Festigkeitsgrenze des Werkstoffs bei Druckbeanspruchung

Widerstandsmoment des Querschnitts des Werkzeugs

In einem praktischen Einsatzfall wurde die Bohrung einer Buchse mit einem Durchmesser von 45^+0J4 mm und einer Länge von 200 mm bearbeitet Die Buchse war gefertigt aus warmgewalzten Rohr 65 χ 12, dessen Stahl einen C-Gehalt bis 0,2% aufwies. Das Werkzeug hatte vier Verformungselemente 1 aus einer Hartlegierung mit den Außenduchmessern 42,4; 43.4; 44,4; 45,4 mm. Die Konizität der Paßfläche 9 des Aufnahmedornes 2 betrug 0,002 und ihr Durchmesser an der vorderen Führung 7 war gleich 25_o.o: mm. Dabei waren die Durchmesser der /ylindcrförinigen Paßflächen der Ver

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Claims

Patentansprüche:

1. Werkzeug zur Bearbeitung der Innenflächen von Werkstücken durch Verformung mit einem Verformungselement, das mittels Preßsitz auf der Paßfläche eines Aufnahmedorns sitzt, auf diesem durch Halterungen in Axialrichtung festgelegt ist und dessen Außenarbeitsfläche in der Eingriffszone verformerid am Werkstück angreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitzabichnitt (E) beschränkt ist auf die der Eingriffszone (B) gegenüberliegende Zone, wobei die Eingriffszone (B) kürzer ist als die Länge des Verformungselements (1).

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gnkenn- r> zeichnet, daß die Paßfläche (9) '!es Aufnahmedorns (2) in der der liingriffszonü gegenüberliegenden Zone kegelförmig ausgeführt ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konizität der Paßfläche (9) des Aufnahmedorns (2) von 0,001 bis 0,15 beträgt.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßfläche (5) des Verformungselementes (1) in der Zone des Preßsitzabschnitts (E) zylinderförmig ausgeführt ist.