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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
eines Metallrohrs, das ein offenes Ende aufweist, welches exzentrisch
in Bezug auf seine Achse aufgeweitet ist.
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Ein
Metallrohr mit einem exzentrisch aufgeweiteten offenen Ende wurde
als ein Ölzufuhrrohr
für einen Fahrzeugkraftstoff
oder dgl. verwendet. So wurde das Metallrohr bisher durch Ausbauchen
eines offenen Endes eines ursprünglichen
Metallrohrs oder durch Verbinden eines Metallrohrs mit einem zusammengedrückten, offenen
Ende mit einem anderen Metallrohr mit einem aufgeweiteten, offenen
Ende hergestellt. Jedoch ist jedes Verfahren zu kompliziert, was
in einem Erhöhen
der Herstellungskosten resultiert. In diesem Hinblick wurde ein
unterschiedliches Verfahren überprüft, wodurch
ein ursprüngliches
Metallrohr radial an seinem offenen Ende aufgeweitet wird, indem
unter Kraft bzw. zwangsweise ein geneigter bzw. sich verjüngender
Expansionsstempel eingesetzt wird.
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In
einem konventionellen Aufweitungs- bzw. Expansionsverfahren wird
ein aufweitender bzw. expandierender Stempel unter Kraft bzw. zwangsweise
in ein ursprüngliches
Metallrohr 1 mit einem offenen Ende vertikal zu seiner
Achse eingesetzt, wie dies in 1 gezeigt
ist. Das offene Ende wird plastisch zu einem koaxial expandierten
bzw. aufgewei teten Zustand 2 deformiert, indem der aufweitende
Stempel eingesetzt wird. Wenn ein aufweitender bzw. Expansionsstempel,
der an seiner Spitze geneigt bzw. verjüngt ist, verwendet wird, wird
ein geneigtes bzw. sich verjüngendes
Teil 4 zwischen einem geraden Teil 3 und dem expandierten bzw.
aufgeweiteten, offenen Ende 2 ausgebildet. Danach wird
ein weiterer Stempel, welcher an einer Position gehalten ist, die
von einer Achse des geraden Teils 3 verschoben ist, in
das aufgeweitete offene Ende 2 so eingeführt, um
ein exzentrisch aufgeweitetes offenes Ende 5 auszubilden,
das von der Achse des geraden Teils 3 abweicht bzw. außermittig
ist.
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Obwohl
das exzentrisch aufgeweitete Teil 5 durch Einsetzen des
Stempels ausgebildet wird, dessen zentrale Achse um einen bestimmten
Abstand von der Achse des geraden Teils 3 zu einer Richtung
D abweichend ist, variiert ein Verformungs- bzw. Deformationsverhältnis des
ursprünglichen
Metallrohrs 1 entlang einer Umfangsrichtung in Antwort
auf die Exzentrizität.
Kurz gesagt, ist die Wandstärke
des ursprünglichen
Metallrohrs 1 nicht so sehr an einer Seite 7 reduziert,
die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, jedoch wird das ursprüngliche Metallrohr 1 vorzugsweise
an einer Seite 6 gedehnt bzw. gestreckt, die exzentrisch
entlang seiner Umfangsrichtung aufzuweiten ist, wobei weniger Metall
von der Seite 7 zu der Seite 6 fließt. Folglich
ist die exzentrisch aufgeweitete Seite 6 entlang der Umfangsrichtung
verdünnt.
Die dünne
Wand bewirkt ein Auftreten von Schwierigkeiten bzw. Problemen, wie
ein Springen oder Knicken. Ein Auftreten von Schwierigkeiten ist wahrscheinlich
bei einem Anstieg eines Aufweitungs- bzw. Expansionsverhältnisses
intensiviert bzw. verstärkt. Die
teilweise verdünnte
Wand verschlechtert auch die mechanische Festigkeit eines Produkts.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf eine Bereitstellung eines Metallrohrs
mit einem exzentrisch aufgeweiteten Ende, das frei von Sprüngen und
Knicken ist, durch Ausbilden eines koaxial aufgeweiteten, offenen Endes,
welches entlang einer axialen Richtung des Metallrohrs an einer
Seite, die exzentrisch länger
als die gegenüberliegende
Seite aufgeweitet ist, welche ohne Exzentrizität aufzuweiten ist, vor einem
exzentrischen Aufweitungsschritt verlängert ist, um einen Metallfluß von der
ersteren Seite zu der letzteren Seite ohne teilweise Reduktion der
Wandstärke
entlang einer Umfangsrichtung zu fördern bzw. zu unterstützen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein neues Verfahren zum Herstellen eines Metallrohrs mit einem exzentrisch
aufgeweiteten offenen Ende durch zwei Stufen einer koaxialen und
exzentrischen Aufweitung vor.
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Zuerst
wird ein koaxial aufweitender Stempel unter Kraft bzw. zwangsweise
in ein offenes Ende eines ursprüngliches
Metallrohrs eingesetzt, um das offene Ende in einen derartigen koaxial
expandierten bzw. aufgeweiteten Zustand zu deformieren, daß die Seite
des deformierten offenen Endes, das exzentrisch aufzuweiten ist,
länger
als die entgegengesetzte Seite bzw. gegenüberliegende Seite, die ohne
Exzentrizität
aufzuweiten ist, entlang einer axialen Richtung des ursprüngliches
Metallrohrs ist.
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Nach
einer Ausbildung des koaxial aufgeweiteten, offenen Endes wird der
koaxial aufweitende Stempel von dem Metallrohr zurückgezogen.
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Danach
wird ein exzentrisch aufweitender Stempel, welche eine Grenzfläche zwischen
einer konischen Spitze und einem zylindrischen Körper aufweist, der mit einem
vorbestimmten Winkel in bezug auf eine radiale Richtung des ursprünglichen
Metallrohrs geneigt ist, so daß der
zylindrische Körper
in Kontakt mit einer Innenwand des koaxial aufgeweiteten offenen
Endes an der Seite gelangt, die früher exzentrisch aufzuweiten ist
als die gegenüberliegende
Seite, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, zwangsweise in das koaxial aufgeweitete, offene
Ende des ursprünglichen
Metallrohrs so eingesetzt ist, um plastisch das offene Ende zu einem exzentrisch
aufgeweiteten Zustand zu deformieren.
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In
dem koaxialen Aufweitungsschritt kann ein koaxial aufweitender Stempel,
welcher eine Grenzfläche zwischen
einer konischen Spitze und einem zylindrischen Körper aufweist, der mit einem
derartigen Winkel geneigt ist, daß eine Länge des zylindrischen Körpers entlang
einer axialen Richtung des ursprünglichen
Metallrohrs kürzer
an der Seite, die exzentrisch aufzuweiten ist, als die gegenüberliegende
Seite ist, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, verwendet werden. Ein offenes Ende des ursprünglichen
Metallrohrs ist bzw. wird plastisch zu einem koaxial aufgeweiteten
Zustand, der entlang seiner axialen Richtung an einer Seite, die
exzentrisch aufzuweiten ist, verglichen mit der entgegengesetzten
Seite verlängert
ist, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, durch zwangsweises Einsetzen des derartigen koaxial
aufweitenden Stempels deformiert.
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Weiters
wird, wenn das koaxial aufgeweitete offene Ende mit einem exzentrisch
aufweitenden Stempel bearbeitet wird, welcher eine Grenzfläche zwischen
seiner konischen Spitze und seinem zylindrischen Körper aufweist,
die entgegengesetzt zu der Neigung des koaxial aufweitenden Stempels
geneigt ist, der Metallfluß von
der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden
Seite, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, zu der Seite gefördert, die exzentrisch aufzuweiten
ist. Folglich wird das offene Ende des Metallrohrs plastisch zu
einem exzentrisch aufgeweiteten Zustand ohne signifikante Reduktion
der Wandstärke
entlang seiner Umfangsrichtung deformiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Ansicht zum Erläutern
eines konventionellen Verfahrens zum Deformieren bzw. Verformen
eines offenen Endes eines Metallrohrs zu einem exzentrisch aufgeweiteten
Zustand durch zwei Stufen einer koaxialen und exzentrischen Expansion.
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2A ist eine schematische
Ansicht zum Erläutern
des neu vorgeschlagenen Verfahrens, wodurch ein offenes Ende eines
ursprünglichen
Metallrohrs plastisch zu einem koaxial aufgeweiteten Zustand deformiert
wird, der eine axiale Wandlänge
an einer Seite, die exzentrisch zu expandieren bzw. aufzuweiten
ist, länger
als die gegenüberliegende
Seite aufweist, die ohne Exzentrizität aufzuweiten ist.
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2B ist eine Ansicht, die
ein koaxial aufgeweitetes offenes Ende eines Metallrohrs illustriert.
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3A ist eine schematische
Ansicht zum Erläutern
eines exzentrischen Aufweitungsschrittes des neu vorgeschlagenen
Verfahrens, wobei ein exzentrisch aufweitender Stempel unter Zwang
bzw. zwangsweise in ein koaxial aufgeweitetes offenes Ende eingesetzt
ist bzw. wird.
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3B ist eine Ansicht, die
ein exzentrisch aufgeweitetes offenes Ende eines Metallrohrs illustriert.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausbildungen
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein offenes Ende eines Metallrohrs durch zwei Stufen
einer koaxialen und exzentrischen Aufweitung aufgeweitet. In der
ersten Stufe bzw. dem ersten Schritt (einem koaxial aufweitenden
Schritt) wird das offene Ende koaxial aufgeweitet. In dem zweiten
Schritt (einem exzentrisch aufweitenden Schritt) wird das koaxial
aufgeweitete offene Ende weiter exzentrisch aufgeweitet.
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In
dem koaxial aufweitenden Schritt ist ein koaxial aufweitender Stempel 10,
welcher eine Grenzfläche 13 zwischen
einer konischen Spitze 11 und einem zylindrischen Körper 12 aufweist,
der mit einem vorbestimmten Winkel α in bezug auf eine radiale Richtung
r eines ursprünglichen
Metallrohrs M geneigt ist, an einer Position konzentrisch mit dem
ursprünglichen
Metallrohr M gehalten. Der koaxial aufweitende Stempel 10 wird dann
zwangsweise in das ursprüngliche
Metallrohr M eingesetzt, wie dies in 2A gezeigt
ist. Da eine Innenwand des Metallrohrs M in Kontakt mit dem zylindrischen
Körper 12 des
Stempels 10 gebracht wird und auf einen objektiven bzw.
offensichtlichen Durchmesser an der Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten
ist, früher in
Kontakt gebracht wird als die Seite, die exzentrisch aufzuweiten
ist, ist eine Schrumpfdeformation der Wand an der Seite, die ohne
Exzentrizität
aufzuweiten ist, vorherrschend eher als an der Seite, die exzentrisch
aufzuweiten ist. Folglich wird das offene Ende des ursprünglichen
Metallrohrs M plastisch zu dem derartig koaxial aufgeweiteten Zustand
M1 deformiert, daß eine axiale Wandlänge L1 an der Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten
ist, kürzer
als eine axiale Wandlänge
L2 an der Seite ist, die exzentrisch aufzuweiten
ist, wie dies in 2B gezeigt
ist.
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Das
koaxial aufgeweitete offene Ende M1, das
eine Wand aufweist, die unterschiedlich bzw. differentiell verlängert ist,
wobei L1 < L2 entlang seiner axialen Richtung ist, kann
durch verschiedene Arten von Stempeln ausgebildet werden, sofern
eine plastische Deformation der Wand zu einem offensichtlichen Durchmesser
an der Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten ist, früher eintritt
als eine plastische Deformation der Wand an der Seite, die exzentrisch
zu expandieren bzw. aufzuweiten ist.
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Wenn
ein Stempel 10, welcher eine Grenze zwischen einer konischen
Spitze 11 und einem zylindrischen Körper 12 aufweist,
der um einen Winkel α geneigt
ist, zur Expansion bzw. Aufweitung eines offenen Endes eines ursprünglichen
Metallrohrs M verwendet wird, ist der Neigungswinkel α vorzugsweise
mit 3–60 Grad
bestimmt. Wenn der Neigungswinkel α unter 3 Grad liegt, ist ein
Unterschied, der für
den Zweck geeignet ist, nicht ausreichend zwischen den axialen Wandlängen L1 und L2 realisiert.
Wenn der Neigungswinkel α über 60 Grad
liegt, wird ein Metallfluß aus
der Seite, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist, zu sehr in dem folgenden exzentrischen Expansionsschritt
intensiviert. Der übermäßige Metallfluß bedeutet
eine Reduktion der Wandstärke
und bewirkt ein Auftreten von Defekten, wie Sprüngen an der Seite, die ohne
Exzentrizität
aufzuweiten ist.
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Ein
exzentrisch aufweitender Stempel 20, welcher eine Grenze 23 zwischen
einer konischen Spitze 21 und einem zylindrischen Körper 22 aufweist,
der mit einem vorbestimmten Winkel θ in bezug auf eine radiale
Richtung des koaxial aufgeweiteten Metallrohrs M1 geneigt
ist, wird in dem folgenden, exzentrisch aufweitenden Schritt verwendet,
wie dies in 3A gezeigt
ist. Wenn so der Stempel 20 unter Kraft bzw. zwangsweise
in das koaxial auf geweitete offene Ende M1 eingesetzt
wird, gelangt die konische Spitze 21 früher in Kontakt mit einer Innenwand
an der Seite, die exzentrisch aufzuweiten ist, als mit der Seite,
die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist.
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In
dem Fall, wo das ursprüngliche
Metallrohr M durch einen exzentrisch aufweitenden Stempel 10 mit einem
Neigungswinkel α aufzuweiten
ist, wird das koaxial aufgeweitete offene Ende M1 vorzugsweise
exzentrisch durch einen Stempel 20 aufgeweitet, der eine
Grenze bzw. Grenzfläche 23 aufweist,
die um einen Winkel θ entgegengesetzt
zu dem Neigungswinkel α des
koaxial aufweitenden Stempels 10 geneigt ist. Der Neigungswinkel θ ist vorzugsweise
derselbe in der entgegengesetzten Richtung wie der Neigungswinkel α.
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Wenn
der Stempel 20 mit einem Neigungswinkel θ zwangsweise
in das koaxial aufgeweitete offene Ende M1 eingesetzt wird, gelangt
ein Umfang des zylindrischen Körpers 22 früher in Kontakt
mit einer Innenwand des koaxial aufgeweiteten offenen Endes M1 an der Seite, die exzentrisch zu expandieren
ist, als mit der entgegengesetzten Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten
ist. Bei einem Fortschreiten des Stempels 20 in das offene
Ende M1 erstreckt sich die Kontaktebene
des zylindrischen Körpers 22 zu
der Seite, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist. D.h. eine Innenwand des koaxial aufgeweiteten,
offenen Endes M1 wird mit dem zylindrischen Körper 22 in einer derartigen
Weise gepreßt,
daß eine
Deformation der Seite, die exzentrisch auf geweitet ist, früher auftritt
als an der gegenüberliegenden
Seite, die ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist.
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Folglich
ist der Deformationswiderstand der Wand größer an der Seite, die exzentrisch
aufzuweiten ist, als an der Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten
ist. Ein Metallfluß an
der Seite, die exzentrisch aufzuweiten ist, ist durch den zylindrischen
Körper 22 des
Stempels 20 während
eines exzentrischen Aufweitens unterdrückt, wobei jedoch das Metall
an der Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten ist, gedehnt
bzw. gestreckt wird und zu der Seite, die exzentrisch aufzuweiten
ist, fließen
gelassen wird. Als ein Ergebnis wird das koaxial aufgeweitete offene
Ende M1 plastisch zu einem exzentrisch aufgeweiteten
Zustand M2 deformiert, der eine Wandstärke gleichmäßig entlang
einer Umfangsrichtung ohne teilweise Reduktion der Wandstärke an der
dezentrierten bzw. außermittigen
Seite aufweist.
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Beispiel
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Ein
hochfrequenzgeschweißtes
Metallrohr mit 25,4 mm Außendurchmesser,
1,0 mm Wandstärke
und 350 mm Länge
wurde als ein ursprüngliches
Metallrohr M verwendet. Ein offenes Ende des ursprünglichen
Metallrohrs M wird plastisch auf einen koaxial aufgeweiteten Zustand
M
1 expandiert bzw. aufgeweitet, indem unter Kraft
ein koaxial aufweitender Stempel
10 in das offene Ende
des ursprünglichen
Metallrohrs M eingesetzt wird. Danach wurde das koaxial auf geweitete
offene Ende M
1 plastisch zu einem exzentrisch
aufgeweiteten Zu stand M
2 deformiert, indem
unter Kraft ein exzentrisch aufweitender Stempel
20 in
das koaxial auf geweitete offene Ende M
1 eingesetzt
wird. Das offene Ende des ursprünglichen
Metallrohrs M wurde koaxial und dann exzentrisch durch die Stempel
10,
20,
die aus Schock gehärtetem
Werkzeugstahl gefertigt sind, auf welchen ein Schmiermittel gesprüht wurde,
in vier Stufen bzw. Schritten unter den Bedingungen, die in Tabelle
1 gezeigt sind, aufgeweitet. Tabelle
1 Arbeitsschritte
bis zu einer Ausbildung eines exzentrisch aufgeweiteten, offenen
Endes
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- α:
ein Neigungswinkel einer Grenzfläche
bzw. Grenze eines koaxial aufweitenden Stempels
- θ:
ein Neigungswinkel einer Grenzfläche
eines exzentrisch aufweitenden Stempels
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Nachdem
das ursprüngliche
Metallrohr M exzentrisch an seinem offenen Ende aufgeweitet wurde, wurde
das exzent risch aufgeweitete offene Ende M2 beobachtet, um die Konfiguration
und Dickenverteilung zu überprüfen. Ergebnisse
sind in Tabelle 2 gezeigt. Es wurde nachgewiesen, daß das Metallrohr
M2 des erfinderischen Beispiels, worin das offene Ende exzentrisch
nach Ausbildung eines koaxial aufgeweiteten offenen Endes M1 aufgeweitet wurde, das in der axialen Wandlänge als
L1 < L2 unterschiedlich war, eine ausreichende
Wandstärke
bzw. Wanddicke ohne Dickenabweichung und ohne Knicken selbst an
einer exzentrisch aufgeweiteten Seite aufwies. Eine maximale Reduktion
der Wandstärke
an dem exzentrisch aufgeweiteten, offenen Ende M2 wurde
in einem Bereich von 25 % gesteuert bzw. geregelt.
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Das
Metallrohr M2 des Vergleichsbeispiels Nr.
1, wodurch ein koaxial aufgeweitetes, offenes Ende M1 mit
einer Länge
L1 = L2 exzentrisch
aufgeweitet wurde, hatte eine Wandstärke, die stark auf höchstens
31 % an seiner exzentrisch aufgeweiteten Seite reduziert war. Ein
Springen oder Knicken trat oft aufgrund einer derartig starken Reduktion
der Wandstärke
auf.
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Selbst
wenn ein koaxial aufgeweitetes offenes Ende M1,
welches in einer axialen Wandlänge
als L1 < L2 unterschieden war, exzentrisch durch einen
Stempel 20 aufgeweitet wurde, der eine nicht geneigte Grenzfläche 23 zwischen
einer konischen Spitze 21 und einem zylindrischen Körper 22 aufwies,
war eine maximale Reduktion der Wandstärke unverändert so groß wie 33
% an einem exzentrisch aufgeweiteten, offenen Ende M2,
wie dies im Vergleichsbeispiel 2 festgestellt wurde. Sprünge oder
ein Knicken wurden auch in einigen Fällen beobachtet bzw. detektiert.
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Es
wird aus einem Vergleich des erfinderischen Beispiels mit den Vergleichsbeispielen
klar festgestellt, daß ein
exzentrisch aufgeweitetes offenes Ende M
2 effektiv
ohne partielle bzw. teilweise Reduktion der Wandstärke entlang
einer Umfangsrichtung durch eine Kombination eines koaxial aufweitenden
Schrittes (bzw. koaxial aufweitender Schritte), um plastisch ein
offenes Ende eines ursprünglichen
Metallrohrs M zu einem koaxial aufgeweiteten Zustand mit L
1 < L
2 zu deformieren, mit einem exzentrisch aufweitenden
Schritt (bzw. exzentrisch aufweitenden Schritten) unter Verwendung
eines exzentrisch aufweitenden Stempels
20 ausgebildet
wird, der einen zylindrischen Körper
22 aufweist,
welche früher
in Kontakt mit einer Innenwand des koaxial aufgeweiteten, offenen
Endes M
1 an einer Seite, die exzentrisch
aufzuweiten ist, als mit der entgegengesetzten Seite gelangt, die
ohne Exzentrizität
aufzuweiten ist. Da eine partielle bzw. teilweise Reduktion der Wandstärke entlang
einer Umfangsrichtung unterdrückt
ist, kann das exzentrisch aufgeweitete Metallrohr M
2 als
ein Produkt, das frei von Defekten wie Sprüngen oder Knicken ist, verwendet
werden. Eine derartige Kombination des (der) koaxial aufweitenden
Schritts(e) mit dem (den) exzentrisch aufweitenden Schritt(en) ist
insbesondere für
eine Ausbildung eines exzentrisch aufgeweiteten offenen Endes M
2 mit einem Außendurchmesser des Doppelten
oder mehr im Vergleich mit dem ursprünglichen Rohr M geeignet, wie
dies in den Beispielen festgehalten ist. Tabelle
2 Konfiguration
eines exzentrisch aufgeweiteten offenen Endes und Auftreten von
Defekten
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie dies oben erwähnt ist, ein offenes Ende eines
ursprünglichen
Metallrohrs plastisch zu einem koaxial aufgeweiteten Zustand, der
in einer axialen Wandlänge
an einer Seite, die exzentrisch aufzuweiten ist, länger ist
als an der gegenüberliegenden
Seite, die ohne Exzentrizität aufzuweiten
ist, und dann zu einem exzentrisch aufgeweiteten Zustand durch einen
exzentrisch aufweitenden Stempel deformiert, der einen zylindrischen
Körper
aufweist, welcher früher
in Kontakt mit einer Innenwand des koaxial aufgeweiteten, offenen
Endes an der ersteren Seite gelangt als an der gegenüberliegenden
Seite. Aufgrund einer Zeitsteuerung einer Kontaktebene des Stempels
mit der Innenwand wird ein Metallfluß von der gegenüberliegenden
Seite zu der ersteren Seite in dem exzentrischen aufweitenden Schritt
gefördert,
wobei jedoch ein umgekehrter Metallfluß von der ersteren Seite beschränkt ist.
Folglich ist eine teilweise Reduktion der Wandstärke entlang einer Umfangsrichtung
des Metallrohrs unterdrückt und
ein Produkt hat ein exzentrisch aufgeweitetes Ende guter Konfiguration.