-
Die Erfindung betrifft das Verfahren zum radialen
Fließpressen kombiniert mit einem inneren Streckziehen eines
Rohres, das ein Kaltpreßverfahren ist, welches zur Gruppe
der Metall-Umformverfahren zählt. Es ermöglicht,
rohrförmiges Metall-Halbzeug zu verschiedenen Fertigteilen oder
Teilen, für die eine nachträgliche Bearbeitung durch
spanabhebende Formgebung vorgesehen ist, zu formen.
-
Die Erfindung wird in die Klasse B 21 D 22/00 der
internationalen Patentklassifikation eingeordnet.
-
Das technische Problem, welches durch die vorliegende
Erfindung erfolgreich gelöst wird, ist ein Festlegen und
Ausführen eines derartigen Verfahrens, welches ermöglicht,
verschiedene achssymmetrische rohrförmige Teile, welche im
allgemeinen durch einen längeren zylindrischen Schaft
einerseits und einen ungleichmäßigen Durchmesser mit starker
Verdickung der Wand einhergehend mit komplizierten
Querschnitts-Formen andererseits gekennzeichnet sind, aus einer
einfachen Rohr-Stange zu formen, die von einer dünnwandigen
Standardrohrstange oder einer Standardrohrstange mittlerer
Wandstärke abgeschnitten wird, und welche derart vorgeformt
ist, daß an einem Ende ein größerer Durchmesser resultiert.
-
Kennzeichnende Formen von Teilen, welche mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden können, sind in
Fig. 2 gezeigt, in welcher die Formen links von den
Symmetrieachsen die Formen zu Beginn des Verfahrens und die
Formen rechts die Erscheinungsform nach der Umformung
darstellen.
-
Die Herstellung von länglichen, dünnwandigen,
axial-symmetrischen Teilen durch Kaltformung von rohrförmigen Stangen
wird meistens dann vorgezogen, wenn es sich um Teile mit
hoher Festigkeit handelt. Die Erhöhung der Festigkeit ist
auf ein fasriges Gefüge und auf eine Verfestigung der
Verformung, die während der Kaltformung entstehen,
zurückzuführen. Andererseits kann durch die Ähnlichkeit der Formen
am Anfang und am Ende des Verfahrens die Formung in einem
einzigen Schritt mit einer mäßigen mittleren plastischen
Verformung durchgeführt werden, so daß noch eine
ausreichende Zähigkeit des Werkstoffs übrigbleibt.
-
In den meisten Formverfahren, die zur Herstellung von
rohrförmigen Teilen verwendet werden, ist die Veränderung der
Rohrwanddicke nicht beabsichtigt, sondern diese ergibt sich
aus den Veränderungen anderer zwei Dimensionen, nämlich des
Durchmessers und der Länge. Derartige Verfahren sind
Biegen, Setzen, Aufweiten, Ausbauchen mittels eines
Druckmediums, Richten, usw.
-
Die beabsichtigten Veränderungen der Wanddicke entstehen
durch die Verfahren wie Vorwärts-Fließpressen, radiales
Fließpressen, Streckziehen, Fließdrücken, Rundkneten und
Rundanstauchen von Rohrenden. Ein besonderes Problem
entsteht immer dann, wenn eine örtliche rotations-symmetrische
Verdickung der Wand oder eine starke veränderung der
Querschnittsform benötigt wird.
-
Eine lokale rotations-symmetrische Wandverdickung kann nur
durch Stauchen des Rohres in axialer Richtung ausgeführt
werden, wodurch bei seitlich nicht abgestützten Rohrwänden
Faltenentstehung verursacht wird. Die häufigste Methode zur
Vermeidung der Faltenentstehung ist, die Rohrwand mit dem
Stützmandrel von der Innenseite und durch die Form von der
Außenseite abzustützen. Da die gesamte Fläche, auf welcher
die Gleitreibung entsteht, im Vergleich zu dem sich
verformenden Volumen groß ist, besitzt die Reibung eine wichtige
Rolle beim Umform-Vorgang. Je dünner die Wand und je länger
der seitlich abgestützte Teil des Rohres ist, auf welchen
die Umformkraft übertragen wird, um so ausgeprägter ist der
Einfluß der Reibung. Das Problem der Reibung ist besonders
im Fall des radialen Fließpreßverfahrens wichtig, bei
welchem die Druckbeanspruchungen, die erforderlich sind, damit
der Werkstoff die Form richtig füllt, einige Male höher
sein kann als die Werkstoff-Fließbeanspruchung. Das
bekannte radiale Fließpreßverfahren, bei welchem die
Verformungskraft auf die Rohrenden wirkt, ist daher nur im Fall von
relativ kurzen Rohren oder Rohren mit dickeren Wänden
verwendbar.
-
Üblicherweise werden hohle achssymmetrische Teile, bei
welchen mehrere Veränderungen der Wanddicke entlang der Achse
notwendig sind, durch Kombination von bekannten
Rückwärts- und Vorwärts-Fließpreßverfahren hergestellt, bei welchen
zylindrische Stangen mit vollem Querschnitt verwendet werden.
Wegen der sehr großen Verformungen und der
Formänderungsarbeit, die benötigt werden, sind diese Verfahren nur dann
geeignet, wenn es sich um relativ kleine Teile handelt.
-
Hohle Teile mit Außenflanschen können durch das im
Schriftstück GB-A 836 706 beschriebene Verfahren wirtschaftlicher
gefertigt werden. Der Flansch wird durch radiales
Fließpressen
geformt, welches durch axiales Eindringen eines
Stempels in die Stange mit Vollquerschnitt erreicht wird.
Das Verfahren ist dann geeignet, wenn es sich um relativ
kleine und kurze, dickwandige, hohle Teile mit relativ
dikkem Flansch handelt.
-
Bezüglich der Verformungen und Formänderungsarbeit, die
beim Kaltformen von dünnwandigen, hohlen Teilen mit
gleichmäßiger Wanddicke entlang des überwiegenden Teils der Länge
benötigt werden, ist die Verwendung von Stangen, die von
einem geeigneten Standardrohr abgeschert und gegebenenfalls
durch Aufweiten oder Setzen vorgeformt wurden, am
geeignetesten.
-
Bei dem im Schriftstück DE 959 876 beschriebenen Verfahren,
durch welches hohle Teile, beispielsweise
Fahrzeugzündkerzengehäuse hergestellt werden können, wird die Reibwirkung
beim letzten Verformungsschritt derart verringert, daß
während des vorhergehenden Schrittes eine konische Bohrung
mit dem Konuswinkel von 5º in die ursprüngliche
Vollquerschnitt-Stange ausgeführt wird. Dieser Lösungsweg ist
nicht möglich, wenn Stangen zu verwenden sind, die von
dünnwandigen Standardrohren mit gleichmäßiger Wandstärke
abgeschnitten werden.
-
Das erfindungsgemäße radiale Fließpreßverfahren kombiniert
mit einem inneren Streckziehen eines Rohres basiert auf
einer Formung eines rohrförmigen Werkstücks, welches zuvor an
einem Ende so aufgeweitet sein kann, daß es in eine geeignet
ausgebildete Form eingesetzt wird. An einer Seite der Form
ist ein geeignet ausgebildeter Stempel vorgesehen, in
welchem ein frei beweglicher Mandrel angeordnet ist. An der
entgegengesetzten Seite ist ein Bearbeitungsstempel
vorgesehen, dessen Kopfdurchmesser dem Durchmesser des Mandrels
entspricht. Der Stempel erweitert sich konisch, so daß
entlang einer vorgegebenen Länge (Lp) von dem Kopf der sich
ergebende Durchmesser etwas größer als der anfängliche
Innendurchmesser des Rohres ist. Während der Stempel mit
einer bestimmten Kraft zurückgehalten wird, führt von der
entgegengesetzten Seite ein Gegenstempel einen Arbeitshub
aus, während welchem die Rohrwandstärke verringert wird.
Gleichzeitig wird der Werkstoffvolumenunterschied nach
vorne verdrängt, wobei zuerst der Freiraum zwischen dem
Mandrel und dem Rohr danach der Raum zwischen dem Stempel und
der Form ausgefüllt wird.
-
Die detaillierte Beschreibung des erfindungsgemäßen
Verfahrens basiert auf dem ausgeführten Beispiel sowie auf Fig. 1
und Fig. 2. In diesen zeigen:
-
Fig. 1 eine Skizze des Anfangs- und des Endstadiums des
radialen Fließpreßverfahrens kombiniert mit
einem inneren Streckziehen eines Rohres, wobei das
Verfahren zur Formung eines hohlen
rotationssymmetrischen dünnwandigen Teiles mit
uneinheitlichem Durchmesser einhergehend mit einer
komplizierten Querschnittsform ausgeführt werden;
-
Fig. 2 typische Formen von Teilen, die unter Verwendung
des erfindungsgemäßen radialen
Fließpreßverfahrens kombiniert mit einem inneren Streckziehen
eines Rohres geformt werden können.
-
Fig. 1 zeigt das radiale Fließpreßverfahren kombiniert mit
einem inneren Streckziehen eines Rohres am Anfang und am
Ende, anhand eines konkret ausgeführten Beispiels. Das
Verfahren kann auf vertikalen oder horizontalen hydraulischen
oder mechanischen Pressen mit mindestens zwei, vorzugsweise
aber drei unabhängigen Funktionen ausgeführt werden.
-
Das Rohr 1, dessen oberes Ende vorher aufgeweitet sein
kann, wird in die Form 3 eingesetzt, welche auf dem
Pressentisch befestigt ist. Danach wird der Stempel 4 herunter
gedrückt, so daß er die Formfläche berührt und mit einer
bestimmten Kraft F&sub1; zurückgehalten wird, welche die
Aufrechterhaltung des hydrostatischen Druckes vorsieht, der
in der Verformungszone A, wo das radiale Fließpreßverfahren
stattfindet, benötigt wird. Innerhalb des Stempels 4
befindet sich ein frei beweglicher Mandrel 5, dessen Durchmesser
zwecks leichterem Einführen in das Rohr kleiner als der
Innendurchmesser des Rohres 1 ist. Anstelle des frei
beweglichen Mandrels kann auch ein Gegenstempel mit einer
entsprechenden Verlängerung an der oberen Seite verwendet werden,
deren Durchmesser jenem des Mandrels 5 entspricht. Der
Arbeitshub wird vom Gegenstempel 2 ausgeführt, der entlang
des Abstandes Lp erweitert ist, so daß sein Durchmesser
größer ist als der anfängliche Innendurchmesser des Rohres.
Während des Arbeitshubs wird der Volumenunterschied, der
sich aus der Rohrwandverdünnung ergibt, nach vorne zum
Stempel 4 hin verdrängt, wobei er zuerst den ursprünglichen
Freiraum zwischen dem Rohr 1 und dem Mandrel 5 füllt und
danach, bei beträchtlich erhöhtem hydrostatischem Druck,
auch den Raum B zwischen dem Stempel 4 und dem Mandrel 5.
Ein weiteres durch eine zusätzliche Aufwärtsbewegung des
Gegenstempels 2 verursachtes Fließpressen des Werkstoffs in
Richtung des Bereichs A, bewirkt im Bereich A eine
zusätzliche Erhöhung des hydrostatischen Drucks bis zu einem
Wert, der von der Kraft F&sub1; abhängt, mit welcher der
Stempel zurückgehalten wird. In diesem Fall wird der
Stempel 4 um den Abstand nach oben gedrückt, der von dem mit
dem Stempel 2 extrudiertem zusätzlichen Werkstoffvolumen
abhängt. Um einen Hohlraum wie jenen des Bereichs B zu
füllen, ist die Wirkung der Reibung zwischen dem Rohr 1 und
dem sich aufwärts bewegenden Mandrel 5 nützlich, so daß
eine gute Genauigkeit eines derartigen Details mit einem
niedrigeren hydrostatischen Druck im Bereich A erreicht
werden kann. Abhängig von der verlangten Form des Teils
kann auch ein leerer Raum B in der Form 3 ausgebildet sein.
Die genaue Form des Fertigteils, die durch die Ausbildung
der Form 3, des Stempels 4, des gegenstempels 2, des
Mandrels 5 und dem Hub des Gegenstempels 2 bestimmt wird, kann
nur erreicht werden, wenn im Verformungsbereich A der
hydrostatische Druck, der durch die Rückhaltekraft F&sub1;
begrenzt wird, hoch genug ist. Infolge des hohen
hydrostatischen Drucks im Bereich A kann ein Rückwärtsfluß des
Werkstoffs (in bezug auf die Bewegungsrichtung des
Gegenstempels 2) auftreten. Dies kann durch geeignete
Abmessungen des erweiterten Bereichs des Gegenstempels 2
verhindert werden, bei welchem die Länge Lp für die Wirkung
der Reibung, die in Richtung der Gegenstempel-Bewegung
wirkt, wichtig ist. Außer der Reibungswirkung wird der
unerwünschte Rückfluß des Werkstoffs durch die befestigte
Stütze 6 verhindert, auf welche nur eine Kraft übertragen
werden kann, die kein axiales Stauchen des Rohres 1 unter
dem erweiterten Bereich des Gegenstempels 2 verursacht.
-
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
der, daß die Reibungswirkung, die zur Verformungskraft
F&sub2; beiträgt, selbst dann gesteuert werden kann, wenn es
sich um längere zylindrische Bereiche des Rohres, entlang
welchem das Streckziehen stattfindet, handelt. Wird das
leere Volumen zwischen dem Rohr und dem Mandrel und das
durch den Gegenstempel während des Streckziehens
extrudierte Volumen berücksichtigt, wobei ersteres von dem
Durchmesser des Mandrels und zweiteres von dem
Streckzieh-Durchmesser (der Durchmesser des erweiterten Bereichs des
Gegenstempels
2) abhängt, so können beide Durchmesser derart
gewählt werden, daß die Phase, während welcher das Füllen des
Freiraums zwischen dem Rohr 1 und dem Mandrel 5
stattfindet, spät genug endet, so daß im Bereich A der
hydrostatische Druck, der nach dem Ende dieser Phase entsteht und
die resultierende Reibung, die sich auf die
Verformungskraft F&sub2; auswirkt, nur gegen Ende des
Verformungshubs vorhanden ist.
-
In Fig. 2 sind drei typische Formen von Teilen dargestellt,
die unter Verwendung des erfindungsgemäßen radialen
Fließpreßverfahrens kombiniert mit einem inneren Streckziehen
eines Rohres geformt werden können. Die Querschnitte auf
den linken Seiten in bezug auf die Symmetrieachsen, zeigen
die Werkstücke vor und auf den rechten Seiten nach dem
Umformen. Bei den in den Fig. 2a und 2b gezeigten Teilen, die
Teile von Hochdruckventilen darstellen können, wird die
Vorformung der Rohre durch Setzen oder Aufweiten des
ursprünglichen Außendurchmessers auf Durchmesser D&sub4; und
D&sub1; vorgesehen. Das in Fig. 2c gezeigte Teil, das ein
Teil einer Kupplung darstellen kann, kann aus einem
einfachen Rohr mit dem Außendurchmesser D&sub1; und dem
Innendurchmesser D&sub0; geformt werden. Kennzeichnend für das
erfindungsgemäße Verfahren zum radialen Fließpressen
kombiniert mit einem inneren Streckziehen eines Rohres ist,
daß die Länge des Werkstücks während des Verfahrens
ungefähr gleich bleibt, während der Innendurchmesser D&sub0; des
Rohres während des Streckzieh-Hubs auf den Durchmesser
D&sub2; verändert wird und vom Ende des Streckziehbereichs
bis zur Fläche des Stempels 4 auf den Durchmesser D&sub3;
des Mandrels reduziert wird.