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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 Auswerferbolzen 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.