DE60300026T2

DE60300026T2 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Faltenbalges

Info

Publication number: DE60300026T2
Application number: DE60300026T
Authority: DE
Inventors: Hideki Yokohama-shi Okada
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: DE60300026D1; US6820317B2; US20030126732A1; DE60300026T3; EP1325784B1; EP1325784B2; EP1325784A1; JP4057297B2; JP2003202077A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Faltenbalges durch Ausbauchen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 (siehe z. B. JP-A-02134466).
Metallische Balgen finden vielfältige Anwendungen, und eine besondere Anwendung ist in Druckspeichern dank ihrer Fähigkeit Gas abzudichten und wiederholten Streckungen und Verkürzungen zu widerstehen. Metallische Balgen werden in herkömmlicher Weise hergestellt durch Zusammenschweissen von geeignet geformten metallischen Folien. Dieses Herstellungsverfahren ist aber nicht geeignet für die Massenproduktion, da es schwierig ist das Schweissverfahren mit der erforderlichen Genauigkeit und Gleichförmigkeit durchzuführen. Aus diesem Grunde sind einsatzgeformte Balgen den herkömmlicheren, geschweissten Balgen vorgezogen worden. Ein Balgen kann einfach in einer Einsatzform hergestellt werden durch Einleiten von Druckflüssigkeit in einen geschlossenen, metallischen Rohrrohling, der von einer geeigneten metallischen Werkzeugbaugruppe umgeben ist, und dieses Verfahren kann als hydraulisches Ausbauchverfahren bezeichnet werden.
Die Spannung des Balgen kann berechnet werden anhand der allgemein bekannten Formel gemäss "Japan Industrial Standards (JIS) B 8243 Structure of Pressure Vessels", welche nachstehend angeführt ist. σx = 1,5 × t × ΔxE/{(ρ/2)0.5 × h1.5 × 2n} (1)darin sind σ_x: die durch die Streckung und Verkürzung des Balgens erzeugte Spannung (MPa), t: die Materialstärke (mm), Δ_x der axiale Federweg (mm), E der Elastizitätsmodul (179 GPa im Falle von SUS304), n: die effektive Anzahl der ringförmigen Ausbauchungen, ρ die Teilung (mm) und h: die Höhe jeder Ausbauchung (mm).
Wie aus dieser Formel ersichtlich ist kann durch Vergrösserung der Höhe jeder ringförmigen Ausbauchung die Spannung des Balgens herabgesetzt werden. Die Höhe der Ausbauchung ist (Aussendurchmesser – Innendurchmesser)/2 und der Innendurchmesser entspricht dem Innendurchmesser des metallischen Rohrrohlings. Dementsprechend kann durch Vergrössern des Verhältnisses Aussendurchmesser/Innendurchmesser die Ausbauchungshöhe gesteigert werden und die Spannung des Balgens kann herabgesetzt werden. Desweiteren kann für die vorgegebene, zulässige Spannung durch Vergrössern der Höhe der ringförmigen Ausbauchungen die Anzahl der Ausbauchungen herabgesetzt, und die axiale Länge des Balgens somit verkürzt werden. Dies ergibt eine kompakte Konstruktion und erlaubt den Einbau des Balgens in einem begrenzten Raum. Z. B. kann ein Druckspeicher in dem ein solcher Balgen eingebaut ist sehr kompakt konstruiert werden und die Konstruktionsfreiheit für die Speichergestaltung kann verbessert werden.
Bei dem Stand der Technik war aber die Höhe der ringförmigen Ausbauchungen durch die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes begrenzt. In anderen Worten, wenn versucht wird eine Ausbauchungshöhe zu erreichen, welche die maximale zulässige Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes übersteigt, so reisst der Werkstoff. Dementsprechend war im Stand der Technik die Höhe der Ausbauchungen nur so gross wie die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes es zuliess, und konnte nicht so weit wie erwünscht gesteigert werden.
Wenn z. B. SUS304 zur Herstellung eines Balgens gemäss dem herkömmlichen, hydraulischen Ausbauchungsverfahren eingesetzt wird, so kann infolge der Dehnungsgrenze des Werkstoffes das Verhältnis Aussendurchmesser zu dem Innendurchmesser (D1/D2) nicht grösser als etwa 1,5 sein. Dies begrenzt den möglichen Federweg des Balgens für die gegebene Grösse des Balgens.
Ein solches Problem kann gemässigt werden durch Verwendung anderer Werkstoffe, welche grössere Dehnungen zulassen. Ein Werkstoff mit einer grösseren Dehnungsgrenze ist aber verhältnismässig teuer, und dies führt zu höheren Herstellungskosten. Alternativ dazu, anstelle eines Umformverfahrens, kann der Balgen durch das Schweissverfahren hergestellt werden, welches eine grössere Konstruktionsfreiheit zulässt und nicht durch die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes beschwert ist. Bei der Herstellung eines Balgens durch das Schweissverfahren muss aber um den gesamten Umfang einer Vielzahl von ringförmigen dünnen Platten geschweisst werden und dies macht das Herstellungsverfahren komplizierter. Dies steigert nicht nur die Herstellungskosten sondern verursacht wegen der unvermeidbaren Schwankungen der Schweissgüte auch einige Schwierigkeiten um zu gewährleisten, dass die erforderliche Fähigkeit den Wechselkräften zu widerstehen erreicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf diese Probleme bei dem Stand der Technik ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Balgens zu schafffen, der einen grösseren Federweg bei einer vorbestimmten Grösse aufweist.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Balgens zu schaffen, der einen grösseren Federweg bei einem vorbestimmten Spannungswert aufweist.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Balgens zu schaffen der einen grösseren Federweg für eine vorbestimmte Werkstoffauswahl aufweist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können diese Aufgaben gelöst werden durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faltenbalges durch Ausbauchen, umfassend folgende Schritte:
Einsetzen eines metallischen Rohrrohlings in eine erste Formwerkzeugbaugruppe;
Einleiten eines Druckfluids in den metallischen Rohrrohling, um eine Vielzahl von ringförmigen Ausbauchungen in dem metallischen Rohrrohling in Zusammenwirkung mit der ersten Formwerkzeugbaugruppe zu formen;
gekennzeichnet durch die Schritte des:
Entfernens des metallischen Rohrrohlings aus der ersten Formwerkzeugbaugruppe und des Ausglühens des metallischen Rohrrohlings;
Einsetzens des ausgeglühten, metallischen Rohrrohlings in eine zweite Formwerkzeugbaugruppe; und
Einleitens eines Druckfluids in den metallischen Rohrrohling, um die ringförmigen Ausbauchungen des metallischen Rohrrohlings weiter in Zusammenwirkung mit der zweiten Formwerkzeugbaugruppe auszubauchen.
Entsprechend diesem Verfahren wird durch Ausführen des Verfahrensschrittes des Ausglühens während dem Ausbauchungsverfahren des Balgens die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes zurückgewonnen und die Bearbeitbarkeit des Balgens wird entsprechend verbessert, damit nach dem ersten Umformverfahrensschritt ein weiterer Umformverfahrensschritt am Balgen ausgeführt werden kann.
Im Besonderen kann das Verhältnis des Aussendurchmessers zu dem Innendurchmesser grösser gemacht werden als der Wert, der bei einem einzigen Umformschritt erreichbar ist. Dementsprechend kann die Verformung (Federweg) jeder ringförmigen Ausbauchung oder Falte für eine vorbestimmte Spannung gesteigert werden oder, in anderen Worten, kann für einem vorbestimmten Federweg des Balgens die Anzahl der ringförmingen Ausbauchungen erhöht und die Länge des Balgens herabgesetzt werden.
Üblicherweise ist der metallische Rohrrohling aus rostfreiem Stahl hergestellt, andere Werkstoffe können aber eingesetzt werden ohne dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Desweiteren können die erste und die zweite Formwerkzeugbaugruppe aus einer gemeinsamen Formwerkzeugbaugruppe bestehen, anstatt zwei verschiedener Formwerkzeugbaugruppen.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat die Formwerkzeugbaugruppe ein oberes Formwerkzeugelement, ein unteres Formwerkzeugelement und eine Vielzahl von ringförmigen Formwerkzeugzwischenelementen in einem gleichen Intervall zwischen dem oberen und dem unteren Formwerkzeugelement. Dabei ist insbesondere jedes der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente vorzugsweise mit einer ringförmigen Rippe versehen, welche ringförmige Ausbuchtungen auf jeder Seite der ringförmigen Rippe bildet, wobei die Ausbuchtungen der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente zusammen ein Aussenprofil der ringförmigen Ausbauchungen des metallischen Rohrrohlings begrenzen. Vorzugsweise sind die ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente beim Einleiten des Druckfluids in den metallischen Rohrrohling gleichförmig näher aneinander heranzubewegen. Das obere und das untere Formwerkzeugelement ist vorzugsweise mit einem Stopfen versehen, der fluiddicht in einem zugeordneten Axialende des metallischen Rohrrohlings aufgenommen ist. Dadurch kann das Innere des metallischen Rohrrohlings bequem abgedichtet werden, und die Flüssigkeit zum Unterdrucksetzen kann durch einen Durchbruch in einem der Stopfen in das Innere des metallischen Rohrrohlings eingeleitet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun im Folgenden beschrieben mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer metallischen Formwerkzeugbaugruppe, die benutzt werden kann zum Durchführen des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung, mit einem in das Formwerkzeug eingesetzten metallischen Rohrrohling;
2 eine Zwischenstufe des Umformverfahrens in einer ähnlichen Ansicht wie 1;
3 eine Endstufe des Umformverfahrens in einer ähnlichen Ansicht wie 1;
4 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Balgens, der gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
5 eine Seitenansicht im Schnitt eines Druckspeichers mit einem Balgen, der gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
6 eine Seitenansicht im Schnitt eines vergrösserten Ausschnittes zur Erläuterung der Art des ersten Umformschrittes;
7 eine vergrösserte Ansicht im Schnitt eines Teiles des durch den zweiten Umformschritt hergestellten Balgens; und
8 eine graphische Darstellung des Federweges jeder ringförmigen Ausbauchung in Abhängigkeit der Anzahl der Streckungs- und Verkürzungszyklen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 bis 3 zeigen das Verfahren zum Herstellen eines Balgens aus einem Rohling, z. B. einem metallischen Rohrrohling M aus rostfreiem Stahl wie SUS304. Bezugnehmend auf 1, die metallische Formwerkzeugbaugruppe für das Umformverfahren hat ein oberes, metallisches Formwerkzeugelement 11 und ein unteres, metallisches Formwerkzeugelement 12 zum Verschliessen der beiden Axialenden des metallischen Rohrrohlings M, sowie eine Vielzahl von ringförmigen, metallischen Formwerkzeugzwischenelementen 13a bis 13e, die jede den metallischen Rohrrohling umgeben und in einem gleichen Abstand voneinander längs der Axialrichtung angeordnet sind. Der metallische Rohrrohling M wird auf das untere, metallische Formwerkzeugelement 12 gesetzt, wie durch den Pfeil B in der Zeichnung gezeigt, und das obere, metallische Formwerkzeugelement 11 wird auf das obere Ende des metallischen Rohrrohlings M gesetzt, wie durch den Pfeil C in der Zeichnung gezeigt. Das obere und das untere, metallische Formwerkzeugelement 11 und 12 sind jeweils mit einem zylindrischen Ansatz oder Stopfen versehen, der flüssigkeitsdicht in dem entsprechenden Ende des metallischen Rohrrohlings M aufgenommen ist. Jedes der ringförmigen, metallischen Formwerkzeugzwischenelemente 13a bis 13e besteht aus halbkreisförmigen Hälften, welche ausgelegt sind um zusammen die ringförmige Gestalt zu begrenzen, wenn sie um die äussere Umfangsfläche des metallischen Rohrrohlings M angeordnet sind, wie durch den Pfeil D in 1 gezeigt ist. Desweiteren ist die innere Umfangsfläche jedes metallischen Formwerkzeugzwischenelementes mit einer mittleren, ringförmigen Rippe versehen, welche im Querschnitt einen runden Scheitel aufweist.
Die 2 zeigt den ersten Schritt zum Einsatzformen des Balgens. Der metallische Rohrrohling M ist durch das obere und das untere, metallische Formwerkzeugelement 11 und 12 geschlossen, und Flüssigkeit zum Unterdrucksetzen wird durch einen Durchbruch 12a in dem unteren, metallischen Formwerkzeugelement 12 in den metallischen Rohrrohling M eingefüllt.
Die Flüssigkeit unter Druck, welche in den metallischen Rohrrohling M eingefüllt wird veranlasst die Teile (oder Ausbuchtungen) des metallischen Rohrrohlings M, welche zwischen den mittleren, ringförmigen Rippen der metallischen Formwerkzeugzwischenelemente 13a bis 13e liegen, sich radial nach aussen auszubauchen. Die Teile des metallischen Rohrrohlings M, welche durch die mittleren, ringförmigen Rippen der metallischen Formwerkzeugzwischenelemente getragen sind, werden daran gehindert sich radial nach aussen auszubauchen. Anschliessend werden das obere, metallische Formwerkzeugelement 11, sowie die metallischen Formwerkzeugzwischenelemente 13a bis 13e nach und nach abwärts in Richtung zu dem unteren, metallischen Formwerkzeugelement 12 bewegt, wie in 2 durch den Pfeil E gezeigt ist. Das obere, metallische Formwerkzeugelement 11 und die metallischen Formwerkzeugzwischenelemente 13a bis 13e werden durch einen Antriebsmechanismus, in den Zeichnungen nicht dargestellt, abgesenkt, derart, dass die Abstände zwischen den metallischen Formwerkzeugzwischenelementen 13a bis 13e gleichförmig verkürzt werden. Während der Innendruck auf einem geeigneten Wert gehalten wird werden die Abstände zwischen den metallischen Formwerkzeugzwischenelementen 13a und 13e so verkürzt damit ein Reissen oder ein Knicken der ausgebauchten Teile vermieden wird.
Bevor die metallischen Formwerkzeugzwischenelemente 13a bis 13e in Berührung miteinander gebracht werden und die Dehnung des Werkstoffes des metallischen Rohrrohlings M ihre Grenze erreicht, wird die Abwärtsbewegung des oberen, metallischen Werkzeugelementes 11 und der metallischen Werkzeugzwischenelemente 13a bis 13e gestoppt. Die Werkzeugbaugruppe 11, 12 und 13 bis 13e wird dann geöffnet und der Balgen 2 wird aus der metallischen Werkzeugbaugruppe entfernt. Das Verhältnis des Aussendurchmessers zu dem Innendurchmesser (der Innendurchmesser ist der Durchmesser des metallischen Rohrrohlings M vor dem Umformschritt, und der Aussendurchmesser ist der Durchmesser des Teiles, der sich während dem Umformverfahren am meisten radial nach aussen ausgebaucht hat) kann nicht grösser als ein vorbestimmter Wert sein, z. B. 1,4 wegen der Dehnungsgrenze des Werkstoffes und verschiedener Erwägungen betreffend die Massenproduktion.
Anschliessend wird ein Ausglühschritt an dem Balgen durchgeführt, der sich in dem Verfahren zur Umformung auf die gewünschte Endform befindet. Der Ausglühschritt wird unter einer vorbestimmten Temperatur während einer vorbestimmten Zeitspanne durchgeführt damit die Restspannung in dem Balgen abgebaut wird und der Balgen bereit ist für einen neuen Umformvorgang. Der Ausglühschritt erneuert demgemäss die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes, und die Bearbeitungsfähigkeit des Werkstoffes wird folglich verbessert.
Daraufhin wird der Balgen wieder in die metallische Werkzeugbaugruppe gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt kann es erforderlich sein die Stellungen der verschiedenen Elemente der metallischen Werkzeugbaugruppe geringfügig neu einzustellen zur Anpassung an die Rückfederung des Materials und an die Verformung, welche während dem Ausglühschritt erfolgen kann. Das obere, metallische Werkzeugelement 11 und die metallischen Werkzeugzwischenelemente 13a bis 13e werden wiederum so abgesenkt damit die Abstände zwischen den metallischen Werkzeugzwischenelementen 13a und 13e gleichförmig verringert werden. In diesem Fall aber bis das obere, metallische Werkzeugelement 11, die metallischen Werkzeugzwischenelemente 13a und 13e und das untere, metallische Werkzeugelemente 12 in enge Berührung miteinander kommen, wie in 3 gezeigt. Wenn das Umformverfahren abgeschlossen ist wird der Innendruck abgeleitet und die metallischen Werkzeugelemente werden geöffnet. Dadurch ist der Balgen 2 mit einem Innendurchmesser D2 und einem Aussendurchmesser D1 hergestellt wie in den 4 und 7 gezeigt.
Demgemäss wird durch die Durchführung der zwei Umformschritte, jeweils soweit die Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes ohne Reissen oder andere permanente Beschädigung des Werkstoffes es zulässt, und die Durchführung des Ausglühschrittes zwischen den zwei Umformschritten ein Balgen hergestellt mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser (D1/D2), das grösser ist als ein Wert, der durch das herkömmliche hydraulische Umformverfahren möglich ist. Der erste Umformschritt wird z. B. durchgeführt bis das Verhältnis den Wert 1,4 erreicht. Der Ausglühschritt wird dann durchgeführt und der zweite Umformschritt erfolgt wieder bis das Verhältnis 1,4 erreicht (der Innendurchmesser entspricht in diesem Falle dem in dem ersten Umformverfahrensschritt am weitesten radial nach aussen aufgeweiteten Teil). Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann ein Balgen mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser (D1/D2) von 1,4 × 1,4 = 1,96 geformt werden.
Insbesondere, wenn nur ein Ausglühschritt durchgeführt wird, sind die metallischen Werkzeugzwischenelemente 13a bis 13e jeweils mit einer ringförmigen Aussparung (entsprechend der ringförmigen Ausbauchung 2a des Balgens 2) versehen, die eine radiale Abmessung aufweist, welche etwa doppelt so gross ist wie die Aussparung der Werkzeugbaugruppe für das herkömmliche Umformverfahren ohne Ausglühschritt. In dem ersten Umformschritt wird der Innendruck des Balgens 2 gesteigert und die Abstände (oder Aussparungen) zwischen den metallischen Werkzeugelementen werden in ihrer Grösse (von P1 zu P2 wie in 6 gezeigt) verringert zum Herstellen der Ausbauchungen 2a mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser (D1/D2) von 1,4. Die Ausbauchungen 2a werden dann erzeugt wie durch die strichpunktierten Linien in 6 gezeigt ist. Danach wird der Ausglühschritt durchgeführt.
In dem darauffolgenden zweiten Umformschritt werden die ringförmigen Ausbauchungen 2a weiter radial nach aussen erweitert bis das gewünschte Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser (D1/D2) erreicht ist und der Werkstoff des Balgens gegen die Aussenwand der Aussparungen der metallischen Werkzeugbaugruppe zwischen den ringförmigen Rippen gedrückt ist und das obere, metallische Werkzeugelement 11 und die ringförmigen, metallischen Werkzeugzwischenelemente 13a bis 13e in Berührung miteinander gebracht sind, wie in 3 gezeigt.
Die 5 ist eine Querschnittansicht eines Druckspeichers mit einem Balgen gemäss der vorliegenden Erfindung. Der dargestellte Druckspeicher hat einen Balgen 2, der in einem geschlossenen Gehäuse 1 angeordnet ist. Das untere Ende des Balgens 2 ist mit einem Vorsprung 1a fest verbunden, die sich von der Bodenfläche des Gehäuses 1 nach oben erhebt, und das obere Ende des Balgens 2 ist an einer Kolbenscheibe 3 fest angeschlossen, die sich in dem Gehäuse 1 befindet und vertikal verschiebbar ist. Die zwei Axialenden des Balgens 2 sind durch den Vorsprung 1a und die Kolbenscheibe 3 luftdicht verschlossen.
Die obere Wand des Gehäuses 1 ist mit einem Verbindungskanal 1b versehen damit durch den Verbindungskanal 1b Flüssigkeit in das Innere des Gehäuses 1 eingeleitet oder aus dem Inneren des Gehäuses abgeleitet werden kann. Der Balgen 2 ist mit Gas unter einem vorbestimmten Druck gefüllt. Wenn Flüssigkeit gegen den Gasdruck in dem Balgen 2 in das Gehäuse eingeführt wird, so wird die Kolbenscheibe 3 nach unten gedrückt und die Bewegung der Kolbenscheibe 3 hängt dabei von dem Druck der Flüssigkeit ab. Der Balgen 2 wird dementsprechend gestreckt oder verkürzt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde der zweite Umformschritt ausgeführt unter Verwendung der gleichen metallischen Werkzeugbaugruppe wie für den ersten Umformschritt. Es ist aber auch möglich eine andere metallische Werkzeugbaugruppe für den zweiten Umformschritt zu benutzen. Wenn ein Balgen mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,96 herzustellen ist, wird für den ersten Umformschritt eine Werkzeugbaugruppe für das Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,4 eingesetzt, und eine Werkzeugbaugruppe für das Endverhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,96 wird in dem zweiten Umformschritt benutzt. Die metallischen Werkzeugelemente werden gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel am Ende des zweiten Umformschrittes in gegenseitige Berührung gebracht, aber es ist auch möglich die metallischen Werkzeugelementen nur so weit zu bewegen damit sie sich am Ende des zweiten Umformschrittes nahe beieinander befinden. Wenn für die zwei Umformschritte zwei verschiedene Werkzeugbaugruppen benutzt werden ist es auch möglich die metallischen Werkzeugelemente jeweils am Ende des ersten und des zweiten Umformschrittes in gegenseitige Berührung zu bringen.
Demgemäss kann durch Einfügen des Ausglühschrittes in das Verfahren zum Umformen eines Balgens ein Balgen mit grossem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser hergestellt werden obschon ein solches grosses Verhältnis in einem einzigen Umformschritt infolge der Werkstoffeigenschaft nicht möglich ist. Solche Werkstoffe mit einer begrenzten Dehnungsfähigkeit umfassen SUS631. In diesem Falle, da das Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser, welches in einem einzigen Umformschritt erreicht werden kann auf 1,3 begrenzt ist, müssen drei Umformschritte und zwei Ausglühschritte zwischen den Umformschritten durchgeführt werden zur Herstellung eines Balgens mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,96. Durch Wiederholen des Ausglühschrittes und des Umformschrittes einer nach dem anderen kann somit ein Balgen mit irgendeinem gewünschten Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser hergestellt werden.
Ein herkömmlicher, durch das bekannte Verfahren mit nur einem Umformschritt hergestellter Balgen mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,42 wurde verglichen mit einem Balgen, welcher durch das Verfahren mit einem Ausglühschritt gemäss der vorliegenden Erfindung zum Erreichen eines Verhältnisses Aussendurchmesser/Innendurchmesser von 1,76 hergestellt wurde. In beiden Fällen war der Balgenwerkstoff SUS304, und die Foliendicke und der Innendurchmesser waren 0,13 mm bzw. 18 mm. Dementsprechend war der Aussendurchmesser des herkömmlichen Balgens 25,6 mm und der Aussendurchmesser des Balgens der vorliegenden Erfindung betrug 31,6 mm. Der Federweg des Balgens war auf 6 mm festgelegt und der Balgen sollte 10⁷ Zyklen wiederholter Streckung und Verkürzung widerstehen.
Der Druck in dem Umformschritt war 9,5 MPa, und der Ausglühschritt zwischen zwei Umformschritten gemäss der vorliegenden Erfindung wurde ausgeführt in einem oxydationsfreien Ofen während vier Minuten bei 980°Celsius. Die zwei Umformschritte gemäss der vorliegenden Erfindung wurden so ausgeführt damit eine Teilung P1 von 15 mm und eine Teilung P2 von 8,2 mm erreicht wurde. Die Teilung P2 war 8,9 mm am Beginn des zweiten Umformschrittes infolge der Rückfederung, und der zweite Umformschritt wurde durchgeführt bis alle metallischen Werkzeugelemente in Berührung miteinander waren.
Die Tafel 1 vergleicht die Merkmale dieser zwei Balgen.
Tafel 1
Wie aus der Tafel 1 ersichtlich, hatte der herkömmliche Balgen, für eine vorgegebene Spannung, 25 ringförmige Ausbauchungen, während der Balgen gemäss der vorliegenden Erfindung nur 9 ringförmige Ausbauchungen aufwies, eine Verminderung von 64%. Dies erlaubte es die maximale Länge des Balgens während dem Betrieb von 34 mm auf 20,7 mm herabzusetzen, eine Verminderung von 13,3 mm. Für einen vorbestimmten Federweg des Balgens und eine vorbestimmte Spannung erlaubt es die vorliegende Erfindung demnach, die (maximale) Länge des Balgens wesentlich zu verkürzen.
Die Ergebnisse einer Dauerprüfung sind in 8 gezeigt. Da die Anzahl der ringförmigen Ausbauchungen und der Federweg in direktem Verhältnis stehen ist auf der Ordinate der Federweg pro ringförmige Ausbauchung (mm/Ausbauchung) aufgetragen, während auf der Abszisse die Anzahl der Streckungs- und Verkürzungszyklen aufgetragen ist.
Im Hinblick auf die Verringerung der Anzahl der ringförmigen Ausbauchungen wurde angenommen, dass der Federweg des Balgens gemäss der vorliegenden Erfindung für jede ringförmige Ausbauchung 2,77 mal grösser sei als für den Balgen gemäss dem Stand der Technik. Anhand des von den Erfindern durchgeführten Versuches konnte aber festgestellt werden, dass der Federweg für jede ringförmige Ausbauchung nach einer Million Betriebszyklen etwa 1,2 mm für den Balgen gemäss der vorliegenden Erfindung war, während der entsprechende Wert etwa 0,3 mm war für den Balgen gemäss dem Stand der Technik. Der Federweg pro ringförmige Ausbuchtung des Balgens gemäss der vorliegenden Erfindung war dementsprechend vier mal grösser als für den Balgen gemäss dem Stand der Technik, und die Verbesserung war wesentlich grösser als erwartet.
Ein einziger Ausglühschritt wurde bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei aufeinander folgenden Umformschritten durchgeführt, es ist aber auch möglich, falls erforderlich, eine grössere Anzahl von Ausglühschritten und Umformschritten zu wiederholen. Auf diese Art und Weise können für viele verschiedene Werkstoffe Balgen mit irgendeinem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser hergestellt werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird durch Einfügen eines Ausglühschrittes zwischen zwei aufeinander folgenden Umformschritten und Durchführen eines zusätzlichen Umformschrittes an den ringförmigen Ausbauchungen, die in dem vorangehenden Umformschritt geformt wurden, die Bearbeitungsfähigkeit des Balgens erhöht. Dank dieser Verbesserung der Bearbeitungsfähigkeit des Werkstoffes ist es möglich einen Balgen herzustellen mit einem Verhältnis Aussendurchmesser/Innendurchmesser, das grösser ist als es bisher in einem einzigen Umformschritt gemäss dem Stand der Technik möglich war. Da der erreichbare Federweg für jede ringförmige Ausbauchung bei einer vorbestimmten Spannung zunimmt, kann die Anzahl der ringförmigen Ausbauchungen für einen vorbestimmten Federweg herabgesetzt und die maximale Länge des Balgens verringert werden. Demgemäss ist eine kompaktere Konstruktion möglich, und der Federweg des Balgens kann vergrössert werden da der Federweg für die vorbestimmte Länge des Balgens gesteigert werden kann.
Obschon die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wurde, liegt es für den Fachmann auf der Hand, dass viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können ohne dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faltenbalges (2) durch Ausbauchen, umfassend folgende Schritte: Einsetzen eines metallischen Rohrrohlings (M) in eine erste Formwerkzeugbaugruppe (13); Einleiten eines Druckfluids in den metallischen Rohrrohling, um eine Vielzahl von ringförmigen Ausbauchungen (2a) in dem metallischen Rohrrohling in Zusammenwirkung mit der ersten Formwerkzeugbaugruppe zu formen; gekennzeichnet durch die Schritte des: Entfernens des metallischen Rohrrohlings aus der ersten Formwerkzeugbaugruppe und des Ausglühens des metallischen Rohrrohlings; Einsetzens des ausgeglühten, metallischen Rohrrohlings in eine zweite Formwerkzeugbaugruppe; und Einleitens eines Druckfluids in den metallischen Rohrrohling, um die ringförmigen Ausbauchungen des metallischen Rohrrohlings weiter in Zusammenwirkung mit der zweiten Formwerkzeugbaugruppe auszubauchen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der metallische Rohrrohling aus rostfreiem Stahl besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Formwerkzeugbaugruppe aus einer gemeinsamen Formwerkzeugbaugruppe bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Formwerkzeugbaugruppe ein oberes Formwerkzeugelement (11), ein unteres Formwerkzeugelement (12) und eine Vielzahl von ringförmigen Formwerkzeugzwischenelementen (13a–13e) umfasst, welche in einem gleichen Intervall zwischen dem oberen und dem unteren Formwerkzeugelement angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei jedes der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente mit einer ringförmigen Rippe versehen ist, welche ringförmige Ausbuchtungen auf jeder Seite der ringförmigen Rippe bildet, wobei die Ausbuchtungen der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente zusammen ein äusseres Profil der ringförmigen Ausbauchungen des metallischen Rohrrohlings begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente beim Einleiten des Druckfluids in den metallischen Rohrrohling gleichförmig näher aneinander heranzubringen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Formwerkzeugbaugruppe ein oberes Formwerkzeugelement, ein unteres Formwerkzeugelement und eine Vielzahl von ringförmigen Formwerkzeugzwischenelementen umfasst, welche in einem gleichen Intervall zwischen dem oberen und dem unteren Formwerkzeugelement angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei jedes der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente mit einer ringförmigen Rippe versehen ist, welche ringförmige Ausbuchtungen auf jeder Seite der ringförmigen Rippe bildet, wobei die Ausbuchtungen der ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente zusammen ein äusseres Profil der ringförmigen Ausbauchungen des metallischen Rohrrohlings begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die ringförmigen Formwerkzeugzwischenelemente beim Einleiten des Druckfluids in den metallischen Rohrrohling gleichförmig näher aneinander heranzubringen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die ringförmigen Formwerkzeugzwischenlemente in Berührung miteinander zu bringen sind wenn die Druckfluideinleitung in die zweite Formwerkzeugbaugruppe abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das obere Formwerkzeugelement mit einem Stopfen versehen ist, der in ein zugeordnetes Axialende des metallischen Rohrrohlings passt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das untere Formwerkzeugelement mit einem Stopfen versehen ist, der in ein zugeordnetes Axialende des metallischen Rohrrohlings passt.