DE4313918A1 - Vorrichtung zur spanlosen Umformung eines Werkstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Rundgewinde bei rohrförmigen Grundkörpern mittels einer Walzeinrichtung spanlos zu erzeugen, bei welcher der Grundkörper durch einen mit beispielsweise drei, im Umfangsbereich profilierten Walzen ausgerüste­ ten Walzkopf geführt ist, wobei sich die Achsen der Walzen unter einem Winkel zu derjenigen des Grundkörpers erstrecken und - in peripherer Richtung gesehen - gleichförmig um den zu bearbeitenden Grundkörper verteilt angeordnet sind. Die Winkelanstellung der Walzen bewirkt den Vorschub des Grundkörpers in dessen Achsrichtung. Um die, durch den Walzprozeß bedingte Temperaturerhöhung in Grenzen zu halten, wird der Grundkörper im Einzugsbereich der Vorrichtung mit einer Wasser-Öl-Emulsion besprüht.

Diese Emulsion vereinigt - wenngleich unvollständig - die Kühleigenschaften des Wassers und die Schmierungs­ eigenschaften des Öls. Eine gezielte Kühlung der einzel­ nen Walzen findet jedoch nicht statt. Die mit derartigen Vorrichtungen erzielbare Durchlaufgeschwindigkeit unter­ liegt Beschränkungen, die hauptsächlich durch die Tempe­ ratur der Walzen und - hiermit zusammenhängend - auch deren gewünschte Standzeit maßgeblich bestimmt werden.

Vergleichbar ist die Situation bei sonstigen, im Rahmen von Kaltumformprozessen eingesetzten Umformwerkzeugen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung mit Hinblick auf einen erhöhten Durchsatz hin auszugestalten, ohne daß die Standzeit des Werkzeugs nachteilig beeinflußt wird. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, daß eine Umformeinheit, insbesondere das Umformwerkzeug in einem im wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet ist, welches ein durch Mineralöl gebildetes, unter Überdruck stehendes Flüssig­ keitsbad beinhaltet, in welches das Umformwerkzeug somit vollständig eintaucht. Letzteres hat im Betrieb der Vorrichtung eine besonders intensive Kühlwirkung zur Folge, da das Umformwerkzeug ständig einem Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit unterliegt. Gleichzeitig ergibt sich neben der Kühlwirkung auch eine optimale Schmierwirkung, da neben dem Umformwerkzeug auch das Werkstück in dem Flüssigkeitsbad geführt ist. Die somit optimale Kühl- und Schmierwirkung des Flüssigkeitsbades ermöglichen gegenüber dem Stand der Technik einen erhöhten Durchsatz.

Diese Wirkungen werden durch den innerhalb des Gehäuses eingestellten Überdruck des Flüssigkeitsbades sicherge­ stellt.

Die höchstzulässige Werkzeugtemperatur ist entsprechend dem Werkstoff des Werkzeugs, insbesondere der thermischen Belastbarkeit dessen Randzonen gewählt, so daß die Flüssigkeitstemperatur des Bades unter Berücksichtigung der Wärmeübergangsverhältnisse zwischen diesem und dem Werkzeug eingestellt ist. Auf diese Weise ist sicherge­ stellt, daß auch bei einer erhöhten Umformgeschwindigkeit die mechanischen Eigenschaften des Umformwerkzeugs insbesondere in dessen Oberflächenbereich keine, durch eine unzulässige Erwärmung bedingte Veränderung erfahren. Eine weitere Wirkung des Flüssigkeitsbades besteht darin, daß zwangsläufig auch das Werkstück auf seiner gesamten, innerhalb des Gehäuses sich erstreckenden Länge einem intensiven Flüssigkeitskontakt unterliegt, womit auch auf dieses eine Kühlwirkung ausgeübt wird. Verschleißmindernd und damit die Standzeit des Werkzeugs verbessernd wirkt sich insbesondere die Existenz eines stabilen Schmierfilms zwischen Werkzeug und Werkstück aus. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht somit ein System zur Verfügung, welches gegenüber bekannten einschlägigen Vorrichtungen eine wesentlich höhere Durchlaufgeschwindigkeit ermöglicht, und zwar ohne daß ein vorzeitiger Werkzeugverschleiß eintritt.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 wird eine Temperatur­ konstanthaltung des Flüssigkeitsbades über einen Rohrleitungskreislauf bewirkt, in den das Flüssigkeitsbad eingebunden ist, wobei an geeigneter Stelle des Kreis­ laufs die in diesen eingebrachte Wärme abgeführt wird. Um sicherzustellen, daß sich als Folge der Bewegung des Umformwerkzeugs keine nachteiligen Auswirkungen für den Flüssigkeitskontakt mit dem Werkstück und damit für den Wärmeaustausch sowie die Schmierwirkung ergeben, ist das Gehäuse und/oder der Rohrleitungskreislauf mit einer Zwangsführung für die Flüssigkeit ausgerüstet, über welche der Überdruck des Flüssigkeitsbades innerhalb des Gehäuses erzielbar ist. Diese Zwangsführung zielt auch darauf ab, das Werkstück in seiner gesamten, innerhalb des Gehäuses geführten Länge in einem gleichförmigen Flüssigkeitskontakt zu halten, welche ein hohes Maß an Wärmeaustausch nebst stabiler Schmierverhältnisse sicher­ stellt. Die praktische Realisierung dieser Zwangsführung ist naturgemäß von dem Umformwerkzeug, insbesondere dessen Bewegung abhängig. Handelt es sich beispielsweise um ein rotierendes Umformwerkzeug, welches aufgrund seiner Mitnahmewirkung ein Strömungsfeld erzeugt, dessen Wirkung eine Verdrängung der Flüssigkeit von dem Werk­ stück fort wäre, muß über die Zwangsführung sicherge­ stellt werden, daß diese Verdrängung unterbleibt und eine einwandfreie Einbindung des Werkstücks sowie des Werkzeugs in die Flüssigkeit aufrechterhalten wird. Diese Zwangsführung bewirkt ferner, daß im Eingriffsbe­ reich des Umformwerkzeugs ein stabiler Schmierfilm erhalten bleibt, der den Werkzeugverschleiß auch bei hohen Umformgeschwindigkeiten in Grenzen hält. Bekannt­ lich hängt die Tragfähigkeit eines Schmierfilms von der Viskosität des Schmiermittels und damit hauptsächlich von dessen Temperatur ab. Indem somit erfindungsgemäß ein temperaturkonstantes Flüssigkeitsbad in Verbindung mit einer Zwangsführung für die Flüssigkeit innerhalb des Bades eingesetzt ist, ergibt sich eine Umformvorrich­ tung, die gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Vorrich­ tungen eine wesentliche Steigerung des Durchsatzes ermöglicht, und zwar ohne daß sich ein dementsprechend gesteigerter Werkzeugverschleiß ergibt.

Der Rohrleitungskreislauf weist entsprechend den Merkma­ len des Anspruchs 3 zumindest einen Wärmetauscher und eine Pumpe auf. Der Wärmetauscher ist hierbei unter Berücksichtigung der als Folge des Umformprozesses über die Umformeinheit in das Flüssigkeitsbad eingebrachten Wärme bemessen, wobei sichergestellt sein muß, daß diese Wärme abführbar ist.

Die Merkmale des Anspruchs 6 sind auf eine besonders einfache Form der praktischen Realisierung der Zwangsfüh­ rung des Flüssigkeitsbades gerichtet, welche darauf abzielt, während des Umformprozesses innerhalb des Gehäuses neben einem stabilen Schmierfilm zwischen Werkstück und Umformwerkzeug auch eine intensive und gleichmäßige Kühlwirkung aufrechtzuerhalten. Das Gehäuse wird hiernach mit den Mitteln des Rohrleitungskreislaufs sowie durch entsprechende Bemessung der Eintrittsöffnung sowie der Austrittsöffnung des Gehäuses in einem Zustand vollständiger Flüssigkeitsfüllung gehalten, so daß eine Verdrängungswirkung durch ein Umformwerkzeug und eine hierdurch bedingte Verschlechterung des Wärmeübergangs verhindert wird. Der über die Pumpe geförderte Flüssig­ keitsstrom wird in Verbindung mit den genannten Öffnun­ gen somit dahingehend bemessen, daß dieser Füllungszu­ stand und damit ein wählbarer Überdruck innerhalb des Gehäuses während des Umformprozesses unverändert beibe­ halten wird. Die, das Gehäuse verlassende Flüssigkeit wird in einem wannenartigen Gefäß aufgefangen, über welches der Rohrleitungskreislauf komplettiert ist.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 ist dem Gesamtsystem, bestehend aus Gehäuse und wannenartigem Gefäß noch eine Absaugeinrichtung zugeordnet, über welche die nähere Umgebung der Vorrichtung gegenüber Dämpfen, die aus dem Flüssigkeitsbad des genannten Gefäßes austreten, abge­ schirmt ist.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische zeichnerische Darstellung näher erläutert.

Mit 1 ist in der Zeichnungsfigur ein Werkstück, hier ein rohrförmiger Grundkörper bezeichnet, der in der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung eine spanlose Umformung da hin­ gehend erfährt, daß in dessen Außenseite eine gewindear­ tige Verformung eingebracht wird. Es ist diese Vorrichtung durch ihr gestrichelt dargestelltes Gehäuse 2 schematisch wiedergegeben, welches - von der Eintrittsöffnung 3 sowie von der Austrittsöffnung 4 für das Werkstück 1 abgesehen - ein geschlossenes Gefäß bildet. Das im Ausgangszustand als glattwandiges Rohr vorliegende Werkstück 1 durchläuft die Vorrichtung somit in Richtung des Pfeiles 5.

Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich eine Walzeinrich­ tung 6, die jedoch nur schematisch angedeutet ist und deren Antriebsaggregate sich außerhalb des Gehäuses 2 befinden. Über die Walzeinrichtung 6 kann gleichzeitig die in Richtung des Pfeiles 5 wirksame Vorschubkraft für das Werkstück 1 aufgebracht werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Walzeinrichtungen beschränkt. Es kann sich grundsätzlich um beliebige Umformeinheiten handeln, die innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sind.

Erfindungsgemäß ist das Gehäuse 2 mit einem Flüssigkeits­ bad vollständig ausgefüllt, welches aus Mineralöl be­ steht, so daß die Bewegung der Walzwerkzeuge der Walzein­ richtung vollständig innerhalb dieses unter Überdruck stehenden Flüssigkeitsbades stattfindet.

Mit 7 ist ein Wärmetauscher, hier ein Kühler bezeichnet, der im Zuge einer, die Flüssigkeit führenden Rohrleitung 8 angeordnet ist, in deren Verlauf sich darüber hinaus eine Pumpe 9 befindet. Der untere Teil des Gehäuses 2 ist in ein wannenartiges Gefäß 10 eingesetzt, in dessen Bodenbereich sich der Anschlußpunkt 11 der Rohrleitung 8 befindet, welche über den Wärmetauscher 7 und die Pumpe 9 zu einem Anschlußpunkt 12 des Gehäuses 2 führt, über welchen die Rohrleitung mit dem Innenraum des Gehäuses 2 in Verbindung steht. Das Gefäß 10 ist derart ausgebildet, daß Flüssigkeit, die über die Eintrittsöffnung 3 sowie die Austrittsöffnung 4 des Gehäuses 2 austritt, in jedem Fall aufgefangen wird. Es können in diesem Zusammenhang zur Vermeidung von Spritzwirkung im Bereich dieser Öffnungen zeichnerisch nicht dargestellte Ablenkeinrich­ tungen vorgesehen sein. Man erkennt aus obigen Ausführun­ gen, daß sich ausgehend von dem Anschlußpunkt 11 über den Wärmetauscher 7 die Pumpe 9, den Anschlußpunkt 12, die beiden Öffnungen 3,4 und das Gefäß 10 ein geschlosse­ ner Flüssigkeitskreislauf ergibt.

Das Gehäuse 2, insbesondere die Eintrittsöffnung 3 in Verbindung mit der Austrittsöffnung sowie der über die Pumpe 9 geförderte Flüssigkeitsstrom sind derart aufein­ ander abgestimmt, daß der Innenraum des Gehäuses 2 im Betrieb der Vorrichtung praktisch gefüllt bleibt insbe­ sondere unter Überdruck steht. Sowohl die Eintrittsöff­ nung 3 als auch die Austrittsöffnung 4 können in diesem Zusammenhang zwecks Anpassung an unterschiedliche Werk­ stückabmessungen 1 einstellbar ausgebildet sein.

Das Gesamtsystem, bestehend aus Rohrleitung 8, Wärmetau­ scher 7, Pumpe 9, Gehäuse 2 und Gefäß 10 ist unter Berücksichtigung der als Folge des Umformprozesses in das Flüssigkeitsbad eingebrachten Wärme dahingehend ausgelegt, daß die Temperatur des Flüssigkeitsbades in jedem Fall beschränkt bleibt. Wesentlich ist insoweit, daß die Walzeinrichtung, insbesondere deren Walzwerkzeuge vollständig in das Flüssigkeitsbad eintauchen und eine wirksame Kühlung sowie Schmierwirkung erfahren, so daß, die Einstellung hoher Verformungsgeschwindigkeiten möglich ist. Die, bezogen auf das Walzwerkzeug während des Umformprozesses zunächst in dessen randnahe Bereiche eingebrachte Wärme wird aufgrund des intensiven Kontak­ tes mit dem Flüssigkeitsbad schnellstmöglich abgeführt, so daß die Temperaturen der Randschichten des Werkzeugs und - hiermit unmittelbar zusammenhängend - dessen mechanische, für den Umformprozeß relevante Eigenschaf­ ten auch bei hohen Umformgeschwindigkeiten jedenfalls nicht durch unzulässig hohe Temperaturen beeinträchtigt werden.

Das, die Walzeinrichtung 6 aufnehmende Flüssigkeitsbad befindet sich - wie oben bereits ausgeführt - in einem im wesentlichen geschlossenen Gehäuse, welches von der Badflüssigkeit durchströmt wird. Nachdem das Gehäuse vollständig mit der Badflüssigkeit ausgefüllt ist, ist eine Verdrängungswirkung der Badflüssigkeit - beispiels­ weise als Folge eines schnell bewegten Walzwerkzeugs - ausgeschlossen, so daß der Eingriffsbereich des Walzwerk­ zeugs stets einem einwandfreien Kontakt mit der Badflüs­ sigkeit unterliegt.

Durch diesen Flüssigkeitskontakt ist die Existenz eines Schmierfilms zwischen dem Walzwerkzeug und dessen jewei­ ligem Eingriffsbereich auf der Oberfläche des Werkstücks gesichert, wodurch sich eine deutliche Verbesserung der Standzeit des Walzwerkzeugs ergibt.

Eine Füllung des Gehäuses 2 mit der Badflüssigkeit während des Umformprozesses kann grundsätzlich in belie­ biger Weise sichergestellt werden. Zweckmäßigerweise wird über die Steuerung der Pumpe 9 in Verbindung mit der Drosselwirkung der ringspaltartigen Abströmquerschnit­ te der Eintrittsöffnung 3 sowie der Austrittsöffnung 4 anhand des Innendrucks des Gehäuses 2 der Füllungsstand geregelt.

Der intensive Kontakt des Werkstücks während des Umform­ prozesses mit dem aus Mineralöl bestehenden Flüssigkeits­ bad wirkt sich hinsichtlich der Oberfläche des verform­ ten Werkstücks auch dahingehend aus, daß dieses beim Verlassen der Vorrichtung einen gewissen Korrosionsschutz aufweist. Dieser Effekt kann durch Additive, die dem Mineralölbad zugegeben werden, noch weiter verbessert werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur spanlosen Umformung eines Werkstücks (1) unter Verwendung einer Umformeinheit, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Umformeinheit in einem, mit einem Flüssig­ keitsbad gefüllten unter innerem Überdruck stehen­ den Gehäuse (2) angeordnet ist und
• - daß das Flüssigkeitsbad im wesentlichen aus Mineralöl besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Flüssigkeitsbad zur Temperaturkonstanthal­ tung in einen Rohrleitungskreislauf eingebunden ist und
• - daß das Gehäuse (2) und/oder der Rohrleitungskreis­ lauf mit Hinblick auf eine Zwangsführung der Flüssig­ keit dahingehend ausgestaltet ist/sind, daß das Werkstück innerhalb des Gehäuses einem gleichmäßi­ gen Flüssigkeitskontakt unterliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rohrleitungskreislauf zumindest einen Wärmetauscher (7) und eine Pumpe (9) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (2) zur Realisierung eines gleichmäßigen Flüssigkeitskontaktes des Werkstücks (1) vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformeinheit eine Walzeinrichtung ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Gehäuse (2) mit einer Eintrittsöffnung (3) und einer Austrittsöffnung (4) für das Werkstück (1) ausgerüstet ist,
• - daß das Gehäuse (2) wenigstens teilweise in ein wannenartiges Gefäß (10) eingesetzt ist und
• - daß der Rohrleitungskreislauf ausgehend von dem Anschlußpunkt (11) an dem Gefäß (10) über den Wärmetauscher (7) , die Pumpe (9) , den Anschlußpunkt (12) an dem Gehäuse (2), das Gehäuse (2), die Ein- und Austrittsöffnungen (3,4) an dem Gehäuse (2) zurück in das Gefäß (10) führt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem, bestehend aus Gehäuse (2) und Gefäß (10) in eine Absaugeinrichtung für dampf- bzw. gasförmige Stoffe einbezogen ist.