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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Formung von Metallteilen unter hohem Flüssigkeitsdruck.
Der Term „Flüssigkeitsdruck", wie er in der folgenden
Beschreibung verwendet wird, soll die Verwendung von Öldruck,
Wasserdruck oder ähnliches
einschließen.
Der Ausdruck „Formung
von Metallteilen" wird
verwendet, um auszudrücken,
dass man einen Flüssigkeitsdruck
auf ein Rohstück
einwirken lässt,
um die Ausprägung
desselben in eine gewünschte
Form zu erreichen.
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Üblicherweise
werden Produkte mit komplexen Formen, wie z. B. Zahnräder oder ähnliches,
dadurch geformt, dass man eine Positiv- und Negativformeinheit wie
z. B. ein Gesenk und einen Stempel verwendet. Ein Beispiel dieser
Art ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5-154598 beschrieben.
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Nach der japanischen Offenlegungsschrift wird
ein Metallrohling in einem Gesenk platziert und ein Stempel verwendet,
um die Formung durchzuführen.
Während
des Verfahrens der Formung kommt der Stempel mit dem Metallrohling
unter hohem Druck in Kontakt, so dass ein Widerstand zwischen beiden
erzeugt wird. Dieses führt
dazu, dass der Rohling nicht immer in geeigneter Weise gepresst wird,
um die Form des Formhohlraums auszufüllen, insbesondere wegen der
Reibung, die zwischen dem Rohling und dem Stempel herrscht.
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In der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 10-175028 und der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 10-296347
werden Beispiele für
die konventionelle Technologie gegeben, bei der die Formung unter einem
Flüssigkeitsdruck
durchgeführt
wird. Nach dem früheren
Verfahren verwendet man beim Hydroformen ein Metallrohr, wie z.
B. ein Kupferrohr, das in einer geteilten Form plaziert wird. Ein
innerer Druck wirkt auf das Rohr ein und dieses wird dadurch in
radialer und axialer Richtung des Rohres gepresst, so dass das Rohr
in eine vorgegebene Form gebracht wird, um ein Produkt in der Form
eines Druckrohres herzustellen. Dieses Verfahren kann man als Flüssig-Druck-Aufweitungsverfahren
bezeichnen. Der innere Druck aus der Flüssigkeit in einem Metallrohr wird
kombiniert mit einem axialen Stauchen oder Zusammenpressen des Metallrohres,
um einen Abschnitt des Metallrohres zu dehnen.
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In beiden genannten Technologien
werden hohle Kolben-förmige
Teile an beiden Seiten eines Metallrohres angeordnet, das als Rohling
dient. Mit den Kolben-förmig
ausgebildeten Teilen wird ein unter Druck stehendes Öl dem Innenraum
des Metallrohres (gebildet im Innendurchmesser-Bereich) zugeführt und
dann das Metallrohr von beiden Enden unter Druck gesetzt. Die Kolben-förmig ausgebildeten
Teile werden in Bohrungen eingesetzt, die in einer geteilten Form
angeordnet sind. Die hohlen Abschnitte der Kolben-förmigen Teile
dienen als Ölkanäle, durch
die unter Druck stehendes Öl
zugeführt
wird. Im allgemeinen wird eine Dichtung auf einem Abschnitt des äußeren Durchmessers
des Kolben-förmig
ausgebildeten Teiles angeordnet, um eine Leckage der Flüssigkeit
zu verhindern.
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Wegen ihres Einsatzzweckes müssen die Dichtungsmittel
flexibel sein und deshalb ist ihr Widerstandsvermögen gegen
die Druckbeanspruchung begrenzt. Beispielsweise kann das Dichtungsmittel einem
Flüssigkeitsdruck
von etwa 2000 Mpa nicht standhalten. Deshalb wurde diese Art des
Hochdruckformens bisher in der Praxis nicht ausgeführt. In beiden
Technologien war jedoch ein hohes Maß an Verfahrenstauglichkeit
dadurch gegeben, dass Kolben-förmig
ausgebildete Teile verwendet wurden, um den Rohling von beiden Enden
her unter Druck zu setzen.
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Nach US-A-3,592,034, das die Merkmale
der Oberbegriffe von den Ansprüchen
1 und 6 wiedergibt, wird ein Gerät
zur Druckformung eines hohlen Rohlings veröffentlicht, bei dem ein hohler
dünnwandiger Rohling
in einem Formhohlraum plaziert wird und abgeformt wird, um die Form
des Formhohlraums abzubilden, in dem man einen Druck auf eine Flüssigkeit einwirken
lässt,
die in den hohlen Innenraum eines Rohlings vor der Abformung eingeleitet
wird durch die Bewegung einer Bolzen-förmig ausgebildeten Kolben-
und Stempelvorrichtung, welche auf den hohlen Innenraum des Rohlings
einwirkt, um die darin enthaltene Flüssigkeit zu bewegen und unter Druck
zu setzen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zur Formung unter Verwendung einer Flüssigkeitsdruck
erzeugenden Einheit zur Verfügung
gestellt, die in der Lage ist, einen Hochdruck zu erzeugen, der
zur hochgenauen Formung von komplexen Formen geeignet ist, die nach
konventionellen Verfahren nicht hergestellt werden können.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Formung von Metallteilen
unter hohem Flüssigkeitsdruck,
umfassend die Verfahrensschritte Positionieren eines Metallrohlings
zumindest teilweise in einem Formhohlraum einer Metallform; Erzeugen
eines hohen Flüssigkeitsdrucks;
und Ausübung
des hohen Flüssigkeitsdrucks
auf den Rohling, um den Rohling zu verformen und ihn zu veranlassen,
den Formhohlraum auszufüllen
und eine Form anzunehmen, die der Form des Hohlraums entspricht,
dadurch gekennzeichnet, dass der hohe Flüssigkeitsdruck dadurch erzeugt
wird, dass ein Kolben, der in einer Bohrung in einer der Formhälften angeordnet
ist, verschoben wird, wobei die Bohrung mit einer Eingangsöffnung zum
Formhohlraum verbunden ist, so dass die Flüssigkeit in der Bohrung zwischen
dem Kolben und dem Rohling einen Flüssigkeitsdruck auf den Rohling
ausübt.
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In einer zweiten Ausführungsform
umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Formung von
Metallteilen, bestehend aus zwei Formhälften, zwischen denen ein Formhohlraum
ausgebildet ist und die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine der
Formhälften
eine Bohrung aufweist, in der ein Kolben beweglich geführt ist,
wobei die Bohrung mit dem Formhohlraum so in Verbindung steht, dass wenn
die Formhälften
gegeneinander gepresst werden und ein Rohling in dem Formhohlraum
angeordnet ist, die Kolben entlang der Bohrung auf den Formhohlraum
zu bewegt werden und die Flüssigkeit
in der Bohrung zwischen den Kolben und dem Rohteil veranlasst wird,
einen Flüssigkeitsdruck
auf das Rohteil auszuüben,
um es in den Formhohlraum einzupressen und dabei die Kontur des
Formhohlraums anzunehmen.
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Dieser Druck, der auf das Rohteil
ausgeübt wird,
bewirkt, dass das Metall des Rohteils in die Form gepresst wird
und es in dem Formhohlraum die Form eines Produktes annimmt, das
in seiner äußeren Gestaltung
mit der inneren Form des Formhohlraums korrespondiert, so dass dabei
ein Produkt in der gewünschten
Form erzeugt wird.
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Verschiedene Varianten der Erfindung
werden nun im Detail anhand von Beispielen erläutert, wobei Bezug genommen
wird auf die beiliegenden Figuren, in denen
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1a einen
Querschnitt durch den oberen Teil der Form bildet, die in einem
ersten Beispiel der Erfindung ausgeführt wird;
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1b einen
Querschnitt durch den unteren Teil der Form zeigt, die in Verbindung
mit der oberen Formhälfte
nach 1 verwendet wird, wobei zumindest
ein Teil eines Werkstückes
innerhalb des Formhohlraums der unteren Formhälfte gezeigt wird;
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2 einen
Ausschnitt darstellt, der die oberen und unteren Formhälften aneinander
grenzend zeigt, um die obere Formhälfte mit der unteren Formhälfte in
Kontakt zu bringen;
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3 einen
Ausschnitt nach 2 mit einem Formstück zeigt,
das durch Pressen eines Rohteils in den Formhohlraum des unteren
Blockes geformt wurde;
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4 zeigt
in einem Ausschnitt, wie ein Rohteil nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung umgeformt wird in ein Formteil, mit einer durchgehenden
Bohrung;
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5 zeigt
einen Ausschnitt zur Erläuterung wie
ein Rohteil nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
umgeformt wird in ein erfindungsgemäßes Formteil;
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6 ist
eine Draufsicht, die eine repräsentative
horizontale Geometrie eines unteren Formhohlraums in der Formeinheit
nach 1 bis 3 darstellt;
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7a und 7b sind jeweils Seitenansichten eines Werkstückrohlings
und eines geformten Produktes, hergestellt aus einem Werkstückrohling
nach dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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8a und 8b sind jeweils Seitenansichten eines Werkstückrohlings
und eines daraus hergestellten geformten Artikels nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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9a und 9b zeigen jeweils Seitenansichten eines
Werkstückrohlings
und eines daraus hergestellten, geformten Artikels nach einem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf die 1a und 1b wird
ein erstes Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung zur Formung eines festen Werkstückrohlings beschrieben,
um daraus ein festes Formteilprodukt herzustellen. 1a zeigt
eine obere Formhälfte 1, die
auf einer Führung
einer Presse (nicht dargestellt) montiert ist. Die untere Formhälfte 2 ist
in 1b dargestellt und ist an einer
Aufspannplatte der Presse (nicht dargestellt) befestigt. Die obere
Formhälfte 1 und
die untere Formhälfte 2 bilden
eine Form-Einheit, wobei ein Werkstückrohling 7 (wie in 7a dargestellt) von der Form umschlossen
wird, um daraus ein geformtes Produkt 12 (wie in 7b dargestellt) herzustellen.
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Zusammengenommen bilden ein Kolben 3, ein
oberer Block 4, eine Führung 5 mit
den Bolzen einen Teil der oberen Formhälfte 1. Diese Teile
werden angehoben und abgesenkt zusammen mit dem Schlitten der Presse.
Der Kolben bewegt sich in einer Bohrung 32 in dem oberen
Block 4, geführt
durch die Führung 5 und
die Bolzen 6, so dass sie frei angehoben und abgesenkt
werden können.
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Ein unterer Block 10, ein
Gegenkolben 9 und ein Auswerfer 11 bilden zusammen
die untere Formhälfte 2.
Der Gegenkolben 9 wird innerhalb des unteren Blockes 10 montiert
und wird durch den Auswerfer 11 betätigt, so dass er frei nach
oben und unten bewegt werden kann. Wie aus 6 ersichtlich,
wird der untere Block 10 mit einem Formhohlraum 8 ausgestattet,
der eine horizontale Querschnittsform mit einer Vielzahl von radial
nach innen vorspringenden Zähnen 8a aufweist,
wie in der Figur dargestellt, obwohl auch andere Formen, wenn gewünscht, benutzt werden
können.
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Ein Werkstückrohteil 7 in der
Form einer festen Scheibe oder einer ähnlichen Form wird auf den unteren
Block 10 aufgesetzt, so dass zumindest ein Teil dieser
Scheibe in den Formhohlraum 8 hineinragt. Unter Bezugnahme
auf die 2 und die 3 wird
nachfolgend der Ablauf bei der Formgebung beschrieben, wie er sich
bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt. Es ist aus 2 ersichtlich,
dass – wenn
der Schlitten abgesenkt wird – die
untere Formhälfte 1 heruntergelassen
und der obere Block 4 und der untere Block 10 sehr
fest gegeneinandergepresst werden. Die Kraft, mit der der obere
Block 4 und der untere Block 10 gegeneinander
gepresst werden, wird durch die Bolzen 6 übertragen.
Die Bohrung 32 stimmt überein
mit den äußeren Abmessungen
des Werkstückrohlings 7,
um zu verhindern, dass Spalträume
der inneren Oberfläche der
Bohrung 32 und dem oberen Block 4 und der äußeren Oberfläche des
Werkstückrohlings 7 entstehen.
Ein oberer Teil des Werkstückrohlings 7 ist
in der Bohrung 32 des oberen Blockes 4 angeordnet.
An diesem Punkt wird eine Flüssigkeit
durch die (nicht dargestellten) Öffnungen
in die Bohrungen 32 unterhalb des Kolbens 3 zugeführt, oberhalb
des oberen Teils des Werkstücks
und in Kontakt mit diesem.
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Wenn nun unter Bezugnahme auf 3 der Kolben 3 weiter absinkt,
wird das Fluid immer mehr zusammengedrückt durch den Kolben 3,
um einen hohen Flüssigkeitsdruck
in der Kammer 21 zu bilden, wobei der Druck zumindest bis
auf den zweifachen Umformwiderstand des Rohteil-Materials angehoben wird.
Der hohe Flüssigkeitsdruck
wird auf den Werkstückrohling
aufgebracht mit dem Effekt, dass er sich in den Raum 8 ausdehnt
und dabei das geformte Produkt 12 bildet, wobei der hohe
Druck bewirkt, dass die äußere Oberfläche des
Werkstückes
in ihrer Form mit der inneren Form des Hohlraums übereinstimmt.
Es wird dabei davon ausgegangen, dass aufgrund des Druckes das Werkstück ohne
irgendwelche Lücken
oder Zwischenräume
in die Füllkammer 8 eingepresst
wird.
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Der Schlitten wird dann angehoben
und die obere Formhälfte 1 hebt
ab bzw. öffnet
sich. Das geformte Produkt 12 bleibt auf dem unteren Block 10 liegen
und wird von dem Gegenkolben 9 und einem Auswerferbolzen 11 von
dem unteren Block 10 heraus gestoßen.
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Es wird nun auf 4 Bezug
genommen, in dem ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt
ist. Dieses Ausführungsbeispiel
weicht von dem ersten Ausführungsbeispiel
dadurch ab, dass ein Dorn 15 verwendet wird, um ein Formstück 14 mit einem
Loch zu bilden. Im übrigen
ist das eingesetzte Verfahren identisch mit dem des ersten Ausführungsbeispieles.
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Wie in 4 dargestellt,
bilden ein Kolben 13, ein Dorn 15, ein oberer
Block 4, eine Führung 5 und
Bolzen 6 zusammen einen Teil der oberen Formhälfte 1.
Diese Bestandteile werden auf- und niederbewegt durch einen (nicht
dargestellten) Schlitten der Pressenvorrichtung. Der obere Block 4 ist
beweglich innerhalb der Führung 5 und
eine Kraft wird so auf ihn über
die Bolzen 6 übergeleitet,
dass er frei beweglich angehoben und abgesenkt werden kann. Der
Dorn 5 ist an dem Kolben 13 befestigt.
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Der untere Block 10, ein
Gegenkolben 16 mit einem Loch und einer Vielzahl von Auswerferbolzen 17 sind
zusammen Bestandteile der unteren Formhälfte 2. Der Gegenkolben 9 ist
in dem unteren Block 10 befestigt und wird über die
Auswerterbolzen 17 betätigt,
um eine freie Bewegung zum Anheben oder Absenken desselben zu ermöglichen.
Der Gegenkolben 16 ist mit einem Loch versehen, durch das
der Dorn frei beweglich hindurch treten kann. Wie im Beispiel nach 1 dargestellt, kann der untere Block 10,
sofern für
die Herstellung des Werkstückes
gewünscht,
mit einer Querschnittsform ausgestattet werden, wie sie z. B. die
Darstellung der Form nach 6 aufweist.
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Im Fall der Benutzung wird ein Werkstückrohteil 19 (nicht
in 4 dargestellt) auf den unteren Block 10 aufgelegt.
Wenn der Schlitten abgesenkt wird, nähert sich die obere Formhälfte 1 dem
unteren Block 4 und wird dabei mit dem unteren Block 10 fest zusammengepresst.
Die Kraft, mit der der obere Block 4 und der untere Block 10 fest
zusammengepresst werden, wird über
die Bolzen 6 übertragen. Die
Abmessungen des Werkstückrohlings 19 sind
so zu wählen,
dass die Bildung eines Spaltes während der
Formung zwischen der inneren Oberfläche an der Öffnung des oberen Blockes 4 und
der äußeren Oberfläche des
Werkstücks 19 sowie
zwischen der äußeren Oberfläche des
Dornes und der inneren Oberfläche
der Öffnung
des Werkstückes 19 vermieden
wird. Das Werkstück 19 wird
in den Formraum des oberen Blockes 4 eingepresst und der
Dorn 15 wird in das Loch des Werkstücks 19 eingedrückt. In diesem
Augenblick wird ein Fluid in den Zwischenraum unterhalb des Kolbens 3 zwischen
dem oberen Block 4 und dem Dorn 15 zugeführt.
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Der Kolben 13 wird dann
weiter abgesenkt und das Fluid wird zusammengepresst durch den Kolben 13,
wobei der Formraum in dem oberen Block 4 eine Hochdruckflüssigkeitskammer 32 bildet.
Das Werkstück
wird in den Formraum 8 durch den hohen Flüssigkeitsdruck
eingepresst und dadurch wird das abgeformte Produkt in seiner endgültigen Form
ausgebildet.
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Der Schlitten wird dann angehoben
und die obere Formhälfte 1 geöffnet. Das
geformte Produkt 14 bleibt auf dem unteren Block 10 liegen
und wird vom unteren Block 10 weggestoßen mit Hilfe des Gegenkolbens 16 und
den Auswerferbolzen 17.
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Unter Bezugnahme auf die 5 wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel weicht von dem
zweiten Ausführungsbeispiel,
das bereits oben beschrieben wurden, insoweit ab, dass ein Spalt zwischen
einem Werkstück 20 (wie
in 9a dargestellt) und dem Dorn 15 gebildet
wird. Alle anderen Aspekte dieser Strukturen stimmen mit denen in 4 überein.
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Wie in 5 dargestellt,
wird ein Zwischenraum zwischen einem Werkstück 20 und dem Dorn 15 gebildet,
so dass bei diesem Ausführungsbeispiel die
Flüssigkeit
aus der unter hohem Flüssigkeitsdruck
stehenden Kammer 21 auch in das Loch des Werkstückes eindringt.
Dadurch wird das Material des Werkstückes, in dem das Loch ausgebildet
ist, zum Expandieren gebracht, so dass ein geformtes Produkt 18 entsteht,
das eine aufgeweitete zentrale Bohrung, wie in 5 dargestellt,
enthält.
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Anhand der 7a und 7b, den 8a und 8b, den 9a und 9b wird die Beziehung zwischen den Werkstückrohlingen
und den geformten Produkten erläutert,
die nach dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden.
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In der vorliegenden Erfindung gibt
es keinen direkten Kontakt zwischen dem Material des Rohteils und
des Kolbens bzw. des Stempels. Dadurch wird der Metallfluss des
Rohteils nicht durch irgendeinen Reibungswiderstand zwischen den
beiden Teilgruppen behindert. Dies erlaubt die Herstellung von Produkten
mit komplizierten Formgebungen. Da bei dem vorliegenden Verfahren
der Druck mindestens dem doppeltem Umformwiderstand des Materials
des Rohteil bei der Herstellung entspricht, können darüber hinaus Produkte mit komplexen
Formen hergestellt werden, die sehr hohe Anforderungen an die Präzision erfüllen.