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Titel der Erfindung Boden für den Tank eines Rohrwärmetauschers und
Werkzeug zu dessen Heratellung Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft
den Boden für den Tank eines Rolirwärmetauschers, insbesondere eines Fugestutzens
zur Aufnahme des Flachrohres und ein Werkzeug zur Herstellung dieses Stutzens.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Berippte Rohrwärmetauscher
werden vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt und unterliegen, besonders in Geländefahrzeugen,
hohen dynamischen Belastungen. Das zu kühlende Medium durchläuft eine Vielzahl von
Flachrohren, die beiderseits in entsprechenden Fügestutzen des Tankx ns enden. Die
Verbindung muß deshalb nicht nur dicht, sondern auch fest sein. Beide Eigenschaften
werden durch Löten kostengüngstig realisiert.
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Allgemein gilt die Höhe eines Lötstutzens als Kriterium für die Festigkeit
der Lötung und der rißfreie zylindrische Durchbruch gewährleistet die Dichtheit.
Die verfahrenstechnisch als Durchziige hergestellten Lötstutzen reißen in der Problemzone
wegen Uberdehnung des Werkstoffes vorzeitig ein und es kommt zur Fehllötung, die
Undichtheit des Kühlers nach sich zieht oder - bei relstiv niedrigem Stutzen - genügt
die kurze Lötfuge nicht den Festigkeitsanforderungen.
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Bisherige Anstrengungen konzentrierten sich auf das Finden von Stempelformen
für Durchziehwerkzeuge, die die Grenzen des Verfahrens hinausschieben. Außerdem
fällt bei üblichen Blechdurchzügen die Stutzenhöhe im Rundungsbereich der Langlochenden
verfahrensbedingt immer niedriger aus als das gerade Mittelteil.
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Verbesserungen wurden erst durch Verfahrensanderungen möglich.
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Dazu zwei Beispiele: Der Erfindungsanmeldung DD-WP B 21 D/226 509
ist ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von anrißfreien Fügestutzen mit
zylindrischen Innenwänden zu entnehmen, das gute Voraussetzungen für die Dichtheit
der späteren Lötung bietet. Der für die Festigkeit notwendige großflächige Formschluß
zum zu fügenden Rohr ist jedoch nicht vorhanden, so daß diese Art der Stutzenausbildung
nur für Wärmetauscher bis zu mittleren dynamischen Belastungen verwendet werden
kann.
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Die DE-OS 29 02 155 beinhaltet einen anderen Stutzen und das Verfahren
zu dessen Herstellung. Dieser Stutzen wird mit seinen gegenüber bisherigen Ausführungen
höheren DIittelwänden den Festigkeitsanforderungen besser gerecht. Da jedoch die
niedrigen Stirnwände verfahrensseitig durch Aufdehnen erzeugt werden, werden Anrisse
und damit Dichtheitsprobleme beim Löten nicht ausgeschlossen. wesentliche Verbesserungen
in der Stutzenherstellung erforderten bei allen bekannten Beispielen mehrere Airbeitsgilge
auf komplizierten Werkzeugen und führen damit zu erhöhten Pertigungskosten.
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Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen
Tankboden anzugeben, der die Funktionsbedingungen eines Rohrwärmetauschers erfüllt
und umformtechnische Belange berücksichtigt. Dies beinhaltet das zum Einformen des
Stutzens in den vorgefertigten Tankboden notwendige Werkzeug.
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Darlegung des eisens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, einen umform- und werkzeugtechnisch möglichen für das Löten optimalen
Tankboden rnit Fügestutzen zu entwickeln. Dieser Stutzen soll eine rißfreie umlaufende
Innenwand genügender Höhe als Voraussetzung für das Dichtlöten und zum zu fügenden
Rohr fornischlüssige, großflächige Stützelemente aufweisen, die die hohen Festigkeitsanforderungen
an die Lötverbindung erfüllen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die aus der Stutzengestaltung
herrührenden Umformverfahren in nur einem Werkzeugirkpaar, bestehend aus Stempel
und Unterteil, und in der erforderlichen Folge unterzubringen. Dieses Wirkpaar ist
anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß der
Tankboden vierstückige Fügestutzen mit zylindrischer, geschlossener Innenwand aufweist,
bei dem, z. B. bei Stutzen für Plachrohre, die beiden stark gekrümmten Stutzenteile
an den Langlochenden ein Dreieckprofil und die beiden geraden Stutzenteile der Längsseiten
ein deutlich abgesetztes höheres Rechteckprofil mit achräg nach innen gestellter
Stirnfläche besitzt, deren Innenkante um den Abstand der Lötfuge zur Innenwand vorsteht
und außerdem ein gutes Einschieben des Flachrohres auch von der Rückseite aus gewährleistet.
Die Abstützung zum Rohr ist linienformig. Damit kann das flüssige Lot beim Fügeprozeß
ein Maximum an Oberfläche erreichen.
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Der Übergang zwischen Recht- und Dreieckprofil ist stumpfkantig und
liegt in der Außenwand des Stutzens. Eine gegenüber der Oberfläche des aus dem Lochquerschnitt
verdrängten Materials wesentlich größere Gesamtfläche der Stutzeninnenwand ist ein
weiteres Merkmal dieses Fügestutzens.
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Eine Jerkzeugausbildung zum Einformen des erfindungsgemäßen Stutzens,
bestehend aus Stempel und Werkzeugunterteil, ist darin zu sehen, daß der Querschnitt
des Stempels genau den
Abmessungen des Stutzendurchbruches entspricht,
eine dachförmige Schneide trägt, die beiderseits etwa am Ubergang zum Radius in
eine senkrechte scharfkantige Stirnwand endet und an deren Fuß sich ebenfalls eine
als Schneidfläche ausgebildete Rundung anschließt.
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Im zum Stempel analogen Unterteil des Werkzeuges befindet sich beiderseits
im Rundungsbereich ein Halbtrichter, dessen leicht gerundete Oberkante etwa im Abstand
einer Blechdicke zu der als Schneidkante ausgebildeten Unterkante umläuft und dem
sich das gegenüber dem Stempel beiderseits um eine Blechdicke breitere zylindrische
Mittelstück der Unterteilöfinung anschließt.
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Unter Beibehaltung des bekannten Werkzeuggrundauf baues werden den
beiden Aktivteilen (Stempel und Unterwerkeeug) Pormen zugeordnet, die beim Wirkablauf
in einem Arbeitsgang im noch ebenen oder bereits vorgeformten Tankboden den erfindungsgemäßen
Fügestutzen unter Erzeugung einer größtmöglichen Fügefläche anrißfrei einschneiden
bzw. einziehen.
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Werkzeugseitig stellen die das Mittelstück des Stempels begrenzenden,
an der dachförmigen Stirnwand angearbeiteten beiden Schneiden, die beiderseits zurückgesetzte
halbkreisförmige Schneide sowie, im Werkzeugunterteil, die beiden das Langloch begrenzenden
Halbtrichter mit den an dessen Auagx gen befindlichen Schneiden und die beiderseits
um eine Blechdicke zurückspringenden Absätze am Ubergang zum Mittelstück des Unterteildurchbruches
erfindungsgemäße Merkmale dar.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß die
Stutzenöffnung senkrecht zur erkstckebene des Tankbodens und die Mittelwand geradlinig
und zur gegenüberliegenden Wand parallel und gleichhoch sngeordnet ist.
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Die vorteilhafte Werkzeugausführung der Erfindung besitzt ebene Schneidflächen
am Stempel bzw. um eine ganze Blechdicke zurückgesetzte, zur Durchbruchachse parallele
Seitenwände im Unterteil.
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Ausführungsbeispi el Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines
Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Das einem Tankboden zugeordnete Werkzeug
besitzt die gleiche Anzahl der als Einzelheit gezeigten Werkzeugeinheit, wie die
gleichzeitig in den Boden einzubringende Anzahl an Fügestutzen.
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Die erfindungsgemäße Form des Fügestutzens wird am Beispiel der häufig
verwendeten Langlochausführung, d.h. bei Verwendung von Flachrohren gezeigt. Andere
Ausführungen, z.B. die Oval-oder Tropfenform der Stutzenöffnung, führen zu dementsprechender
zeichnerischer Darstellung.
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Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1a - Fügestutzen in Langlochausführung
in der Draufsicht Fig. 1b - Vorderansicht nach Fig. 1a Fig. 1c - Seitenansicht nach
Fig. la Fig. 1d - Darstellung nach Schnitt B-B Fig. le - Darstellung nach Schnitt
A-A Fig. 2a - Stempel in Vorderansicht Fig. 2b - Stirnseite des Stempels Fig. 2c
- Seitenansicht nach Fig. 2a Fig. 3a - Schnitt durch das Werkzeugunterteil Fig.
3b - Schnitt der Seitenansicht nach Fig. 3a Fig. 3c - Draufsicht auf das Werkzeugunterteil
Pig. 4a - Vorgeformter Stutzen des Tankbodens W in der Ausgangsstellung im Schnitt
Fig. 4b - Seitenansicht zu Fig. 4a Fig. 4c - Zwischenphase kurz vor Durchstich des
Stutzenbodens im Schnitt Pig. 4d - Seitenansicht zu Fig. 4c Fig. 4e - Fertiggeformter
Stutzen des Tankbodens im Schnitt Fig. 4f - Seitenansicht zu Fig. 4e
Der
vierstückige Fügestutzen besteht gemäß Fig. 1a bis 1e aus den beiden hohen Mittelstücken
1.1 mit Rechteckquerschnitt und den beiden diese verbindenden halbkreisförmigen
niedrigeren Endstücken 1.2 mit Dreieckquerschnitt. Das Dreieckprofil wird durch
eine Schnittfläche 1.3 quer durch die vorher schräggestellte Blechdicke 5 erzeugt.
Der Übergang 1.4 vom Recht- zum Dreieckprofil ist kantig auf der Außenseite des
Stutzens marki ert.
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Die vorstehende Innenkante 1.5 bildet die spätere Lötfuge Lf und den
Abschluß der schräggestellten Stirnfläche 1.6, die das Einschieben des Flachrohres
von der Rückseite her erleichtert.
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Die Fig. 2a bis 2c zeigen den zum Einformen des in den Fig. la bis
le dargestellten Fügestutzens erfindungsgemäßen Stempel 2.0 der Werkzeugeinheit.
Sein Querschnitt ist gleich der von ihm zu erzeugenden Stutzenöffnung. Die dachförmige
Mittelschneide 2. 1 ist beiderseits durch die allgemein senkrecht stehende und ebene
Stirnfläche 2.2 begrenzt und zur Dachfläche 2.3 scharfkantig. Die sich daran anschließende
halbkreisförmige Fußfläche 2.4 ist eben ausgebildet und am Übergang zum Profil des
Stempelschaftes 2.5 im Radiusbereich scharfkantig.
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Der Übergang 2.6 von der Dachfläche zum Schaft ist leicht gerundet.
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Ausführungsvarianten dazu sind: - konvex oder konkav gekrümmte Mittelschneide
2.1 - konvex gekrümmte Stirnfläche 2.2 - schräggestellte und/oder konvex gekrümmte
Paßfläche 2.4 - Kombinationen hiervon Die Fig. 3a bis 3c zeigen das dem Stempel
analoge erfUzdungagernäße Unterteil 3.0 der Werkzeugeinheit. Es besitzt beiderseits
einen Halbtrichter 3.1, dessen Mantelfläche das schräggestellte Blech beim Schneiden
gegen die scharfe Unterkante 3.2 des Trichters abstützt.
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Die Längsseiten 3.3 des Durchbruches sind beiderseits um die Blechdicke
5 zurückgesetzt. Die umlaufende Oberkante 3.4 des Unterteil-Durchbruches ist leicht
gerundet; ebenso die Kante 3.5 am Ende des Halbrichters.
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Eine Ausführungsvariante dazu ist, daß die Längsseite 3.3 des Durchbruches
beiderseits um einen Betrag kleiner als s zurückgesetzt ist.
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In den Fig. 4a bis 4f ist der Verfahrensablauf in den Hauptphasen
dargestellt. Die Fig. 4a und 4b stellen das aus den drei Hauptteilen bestehende
Werkzeug, Abstreifer 1.0, Stempel 2.0, ierkzeugunterteil 3.0 mit einem durch Sicken
bereits vorgeformten Tankboden ', in Ausgangsstellung dar.
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In Fig. 4c und 4d wurde diese Sicke durch den Abwärtshub des Stempels
in eine seiner Kopfform analogen Sicke W' umgeformt, wobei sich seine Mittelschneide
2.1 in den Grund dieser Sicke als Negativform einprägt und sich bereits die Stirnflächen
1.6 (Fig. le) abzubilden beginnen. Dabei wird linienförmig unter dieser Schneide
die kurz vor dem Durchbruch stehende Blechdicke n t hergestellt.
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Nach dem weiteren Abwärtshub des Stempels 2.0 bis zu der in den Fig.
4e bis 4f dargestellten Endlage ist gezeigt, daß zunächst unter der Mitteischneide
2. 1 das Blech durchstoßen, die Längsseiten durch die Stirnschneiden 2.3 von den
beiden Sickenenden abgetrennt und gleichzeitig senkrecht gestellt werden. Danach
wird von beiderseitigen Endstück der Sicke 4.1 mit senkrecht durch die schräggestellte
Wand des Halbtrichters laufendem Schnitt das sichelförmige Reststück 4.2 abgetrennt,
das als Abfall aus dem werkzeug fällt. Der Stutzen hat dann die Form " angenommen.
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Nach Endformung des Stempels, das heißt mit seinem Aufwärtshub, werden
in den Biegungen Restspannungen frei, die die Längsseite des Stutzens in die endgültige
Stellung gemäß Fig. lc bzw. le bringen.
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Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind möglich.
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Das Einbringen des Stutzens in den Tankboden erfolgt durch den Stempel
2.0, wobei durch die Stempel- und die Werkzeugunterteilform 2.0 und 3.0 mehrere
Arbeitsphasen nacheinander bzw. sich überlagernd ablaufen. Dabei ist es gleichgültig,
ob der Stutzen in den ebenen oder den durch eingeprägte Sicken bereits vorgeformten
Spiegel des Tankbodens eingeformt wird.
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Nach dem Aufsetzen der am Stempelkopf befindlichen Mittelschneide
2.1 wird zunächst eine der Stempelform analoge Vertiefung ausgebildet, wobei gleichzeitig
durch radiales Recken die Blechoberfläche im Bereich dieser Vertiefung weiter vergrößert
wird. Mit zunehmendem Widerstand dieser Vertiefung gegen den vordringenden Stempel
2.0 prägt sich dessen Mittelschneide 2. 1 am Ende dieser ersten Phase in den Grund
der Vertiefung als Negativform ein, bis dieser Grund unter der Schneide 2.1 aufreißt.
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Die eich in kontinuierlichem Hub anschließende zweite Phase ist durch
einen Biegevorgang gekennzeichnet, bei dem durch den dachförmigen Stempelkopf 2.3
hinter der Schneide 2.1 die beiden Mittelstücke 1.1 des Stutzens senkrecht aufgestellt
werden.
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Gleichzeitig, das heißt während des Biegens, werden diese Mittelstücke
1.1 durch die scharfkantigen Stirnflächen 2.2 an den Enden der Mittelschneide 2.1
durch einen Ziehschnitt von den beiden halbkreisförmig«: Sickenenden abgetrennt.
Diese Phase endet, indem die Mittelstücke 1.1 im senkrechten Durchbruch der Längsseite
3.3 des Werkzeugunterteiles zur Anlage gebracht wurden, wobei gleichzeitig durch
die vorspringende Kante 3.5 des Unterteiles der Querschnittsübergang 1.4 (Absatz)
zwischen Recht- und Dreieckprofil in die Außenwand des Stutzens eingepreßt wird.
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Die nächste Phase wird eingeleitet, indem die bereits durchgewölbten
Sickenenden durch die abgesetzten Fußflächen 2.4 des Stempels 2.0 beiderseits im
Halbtrichter 3.1 des Werkzeugunterteils zur Auflage gebracht werden. Vom dann schräggestellten
Blechquerschnitt wird nun ein sichelförmiger Materialrest 4.2
durch
die scharfkantige Fußfläche 2.4 senkrecht abgetrennt, wodurch das Dreieckprofil
1.2 des Stutzens entsteht.
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In der letzten Phase wird die in der Biegung der Längsseiten des Stutzens
(zweite Phase) vorhandene Restelastizität zur endgültigen Formgebung des Stutzens
ausgenutzt. Nach dem Zurückziehen des Stempels wird diese Restelastizität als flückfederung
frei und stellt die Längsseite des Stutzens so, daß die Innenkante 1.5 der durchgestochenen
ehemaligen Bodenrundung (erste Phase) gegenüber der Innenwand der Stutzenlängsseite
um das Maß Lf der späteren Lötfuge vorsteht,
Aufstellung der verwendeten
Bezugszeichen 1.0 Abstreifer 1.1 Mittelstück mit Rechteckquerschnitt 1.2 Endstück
mit Dreieckquerschnitt 1.3 Schnittfläche 1.4 Querschnittsübergang 1.5 Innenkante
des Mittelstückes 1.6 Stirnfläche des Mittelstückes 2.0 Stempel 2.1 Mittelschneide
2.2 Stirnfläche 2.3 Dachfläche 2.4 Fußfläche 2.5 Übergang Fußfläche / Schaft 2.6
Übergang Dachfläche / Schaft 3.0 Werkzeugunterteil 3.1 Halbtrichter 3.2 Unterkante
3.3 Längsseite 3.4 Oberkante 3.5 Kante am Halbtrichter 4.1 Endstück der Sicke 4.2
Reststück W Ausgangsform Zwischenform wf' Endform im Werkzeug s Blechdicke 5' Blechdicke
vor dem Bruch Lf Lötfuge