DE69634174T3

DE69634174T3 - Formen eines rohres auf einem endstück

Info

Publication number: DE69634174T3
Application number: DE69634174T
Authority: DE
Inventors: Larry DOLAN; John EICKELBERG; Blake REED; Ron SCARBOROUGH
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2016-09-19
Also published as: EP0865332B2; DE69634174D1; EP0865332B1; EP0865332A1; EP0865332A4; WO1997010907A1; AU7363496A; DE69634174T2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein mit einem Ende eines leitenden Metallrohres verbundenes Endstück (siehe beispielsweise US-A-5304012 oder CH-A-129362 ), auf welches die Enden der Drehmomentrohre elektromagnetisch aufgeformt werden können, indem Rohrmaterial wie gekauft ohne vorherige Wärmebehandlung und Lagerung bei tiefen Temperaturen benutzt wird, und auf eine Rohrformvorrichtung zum elektromagnetischen Deformieren des Endes eines Rohres auf ein derartiges Endstück, um eine ein Drehmoment übertragende mechanische Verbindung zwischen dem Rohr und dem Einsatz zu bilden, welche genauso stabil oder stabiler als das Rohr selbst ist und einen großen Widerstand gegen Abnutzung zeigt.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt viele Nutzungsarten für ein langgestrecktes Metallrohr mit mit dem Rohr durch eine starre mechanische Verbindung verbundenen Endstücken. Schubstangen und Drehmomentrohre sind zwei sehr übliche Nutzungsarten dieser Art von Gerät. Drehmomentrohre werden benutzt, um mechanisch ein Drehmoment von einem Antrieb über ein Drehmomentrohr an ein angetriebenes Gerät zu übertragen. Diese Anwendungen erfordern es häufig, dass das Drehmomentrohr leicht und wenig teuer ist, eine große Stabilität gegen Abnutzung aufweist und eine schlussendliche Umformfestigkeit an dem Endstück, welche gleich ist wie diejenige des Rohres selber, aufweist, oder diese übertrifft. Antriebswellen für Fahrzeuge wie Autos und Lastwagen sind Beispiele einer Art von Drehmomentrohr, welches derartige Eigenschaften erfordern. Derzeit sind Fahrzeugantriebswellen aus Stahlrohren gefertigt, welche an ihren Enden an Drehmomentkopplungsendstücken wie U-Verbindungskomponenten oder dergleichen angebracht sind. Die Benutzung von Aluminiumrohren bei einer Fahrzeugantriebswelle würde einen attraktiven Gewichtsersparnisvorteil haben, aber die Schwierigkeiten beim Formen von hochstabilen Aluminiumrohren auf die Endstücke ohne teure vorherige Wärmebehandlung haben die Benutzung von Aluminiumrohren bei dieser Anwendung verhindert.
Bei Fluganwendungen haben die Erfordernisse nach leichtgewichtigen mechanischen Systemen die Benutzung von Aluminiumrohren als Drehmomentrohre für viele Jahre diktiert. Die Vorrichtung und die Verfahren zum Anbringen der Endstücke an diesen Drehmomentrohren haben jedoch einige unbefriedigende Eigenschaften, welche Hersteller und Betreiber von kommerziellen Transportflugzeugen gerne beseitigen würden. Nieten des Endstücks auf das Rohr ist kostspielig, weil es arbeitsintensiv ist. Die Nieten können sich nach ausgedehntem Gebrauch lockern, was in verlorener Bewegung resultiert und möglicherweise nach vielen Jahren zu einem Ausfall führt, wenn das Drehmomentrohr nicht inspiziert und repariert oder ersetzt wird, wenn die Nieten beginnen, sich zu lösen.
Schweißen oder Hartlöten der Rohre an das Endstück weist die Schwierigkeiten einer wärmebeeinflussten Zone neben der verschmolzenen Verbindung und von Anpassungserfordernissen des Endstücks und des Rohrs mit niedriger Toleranz auf. Rissfortpflanzung in der verschmolzenen Verbindung kann ebenso ein Problem sein, das durch übliche Inspektionsverfahren schwierig entdeckt werden kann, und auftretende Ausfälle können katastrophal sein und zum Ausfall von flugkritischen Steueroberflächen führen. Daher wird Schweißen oder Hartlöten selten bei Last tragenden für den Flug kritischen Metallteilen benutzt.
Mechanisches Formen des Rohrs auf das Endstück ist eine viel versprechende Technik, weil sie keine Befestigungsmittel erfordert und auch nicht die wärmebeeinflusste Zone einer verschmolzenen Verbindung hervorruft. Einige möglicherweise benutzbare Techniken zum Ausüben von Druck auf das Aluminiumrohr, um es um das Endstück zu diesem Zweck zu deformieren, sind Senkformen, Hydroformen, Gummipressenformen, elektromagnetisches Formen und Explosionsformen. Elektromagnetisches Formen ist wegen des Potentials für effiziente großvolumige genau wiederholbare Produktionsprozesse besonders ansprechend, aber bestehende Vorrichtungen und Techniken zum Deformieren von Aluminiumrohrmaterialen, welche die erforderlichen Eigenschaften hoher Stabilität und Korrosionsrisswiderstands aufweisen führten während dem Aufformen auf das Endstück zu der Bildung von Rissen in dem Rohr. Die sich ergebenden Risse sind wegen der Verkürzung der Materialermüdungslebensdauer des Drehmomentrohrs inakzeptabel.
Elektromagnetisches Pulsformen von 2024 Aluminiumrohren in dem T-3 Zustand auf Endstücke, welches im US-Patent Nr. 4,523,872 beschrieben ist, wobei eine „explodierende Spule” zum elektromagnetischen Formen des 2024 Aluminiums benutzt wird, war zeitraubend, weil eine neue Spule für jeden Formvorgang benötigt wurde. Die explodierende Spule zerbirst buchstäblich wie eine Handgranate, was einen Regen von Kupferdrahtfragmenten erzeugt, welcher eine sorgfältige Abschirmung erforderte, um Verletzungen der Arbeiter zu verhindern und um sie vor dem bei dem Betrieb auftretenden lauten Lärm zu schützen.
Die zum Formen der Rohre um die Endstücke benutzte Produktionsausrüstung muss wiederstandsfähig, wiederholbar und genau sein. Das heißt, sie muss in der Lage sein, viele Teile ohne Abnutzung oder Bedarf nach Justierung zu produzieren. Die Teile, die sie produziert, müssen für eine gegebene Einstellung der Ausrüstung immer dieselben sein, und die Ausrüstung muss in der Lage sein, die zu formenden Teile leicht, schnell und genau an genau demselben Ort zu registrieren, so dass sie in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Ausrüstung jedes Mal, wenn ein Drehmomentrohr fertig wird, akkurat positioniert sind. In gleicher Weise müssen die Komponenten der Ausrüstung relativ zueinander jedes Mal, wenn das Rohr auf ein Endstück geformt wird, in der gleichen Weise akkurat positioniert sein, so dass im Wesentlichen identische Drehmomentrohre gefertigt werden, wenn identische Einstellungen der Ausrüstungen benutzt werden und auf identische Teile eingewirkt wird.
Daher gab es einen dringenden Bedarf nach einer Vorrichtung zum elektromagnetischen Pulsformen eines Endstücks auf ein Aluminiumrohr zur Herstellung von Drehmomentrohren, Schubstangen und anderer derartiger Geräte. Die Vorrichtung sollte akzeptable Verbindungen formen, selbst wenn das Rohrmaterial vor dem Formen mit Korrosionsschutzbeschichtungen vorbehandelt wurde, und sollte in der Lage sein, das Ende des Rohres auf das Endstück ohne weitere Vorbereitung wie Größenanpassung, Wärmebehandlung oder Lagerung in einem Gefrierer zu formen. Das Verfahren für solch ein optimales System würde sehr wenig oder keinen Müll oder wiederholte Arbeiten produzieren, würde niedrige Produktionskosten aufweisen und würde eine Drehmomentkopplung für das Rohrmaterial produzieren, welches stabiler wäre als das Rohr selbst und, wenn es zur Fertigung von Drehmomentrohren für Fluganwendungen benutzt wird, Ermüdungsbelastungen für eine Zeitdauer widerstehen würde, welche etwa viermal die Betriebslebensdauer eines Flugzeugs übertreffen würden.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Endstück, verbunden mit dem Ende eines leitenden Metallrohrs, durch elektromagnetisches Formen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Endstück gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Formen des Endes eines leitenden Metallrohrs auf ein Endstück zur Verbindung mit dem Ende eines leitenden Metallrohrs durch elektromagnetisches Formen des Rohrendes um das Endstück bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst. Noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentrohrs mit magnetisch auf seine Enden geformten Endstücken bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Übertragung eines Drehmoments von einem Antrieb an einem Ende eines Drehmomentrohres auf ein angetriebenes Gerät an dem anderen Ende des Drehmomentrohres bereitzustellen, wobei das Drehmoment durch Endstücke an dem Rohr auf das Rohrmaterial dadurch übertragen wird, dass das Rohrmaterial um das Stück deformiert wurde, und ein Verfahren zum Formen eines Metallrohrs auf ein Endstück gemäß der Erfindung bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch die Verfahren von Anspruch 5 bzw. 6 gelöst.
Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung und ihre vielen begleitenden Aufgaben und Vorteile werden beim Lesen der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der folgenden Zeichnung besser verstanden werden, wobei:
1 ein Aufriss eines in Übereinstimmung mit dieser Erfindung gefertigten und zur Klarheit der Darstellung mit ausgebrochenem Mittelabschnitt gezeigten Drehmomentrohrs ist,
2 ein Querschnitt entlang von Linien 2-2 in 1 ist,
3 eine Perspektivansicht eines in dem in 1 gezeigten Drehmomentrohr benutzten Endstücks ist,
4 ein Seitenaufriss des in 3 gezeigten Endstücks ist,
5 ein Endaufriss entlang von Linien 5-5 in 4 ist,
6 ein Querschnittsaufriss entlang von Linien 6-6 in 5 ist,
7 ein um 30° aus der in 4 gezeigten Position gedrehter Seitenaufriss des in 4 gezeigten Endstücks ist,
8 ein Querschnittsendaufriss entlang von Linien 8-8 in 7 ist,
9 eine perspektivische Ansicht einer Kopplungshülle zum Drehmomentkoppeln des in 1 gezeigten Drehmomentrohres mit einer angetriebenen oder antreibenden Vorrichtung ist,
10 ein vergrößerter Querschnittsaufriss der in 9 gezeigten Kopplungshülle ist,
11 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufformen von Rohrmaterial auf Endstücke unter Benutzung eines Verfahrens zur Fertigung von Drehmomentrohren in Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist,
12 ein Aufriss der in 11 gezeigten Formvorrichtung ist, welche überlappend die Position des Drehmomentrohres und seiner Endstücke in der Vorrichtung zeigt,
13 ein Endaufriss der in 11 gezeigten Vorrichtung entlang von Linien 13-13 in 12 ist,
14 eine teilweise Draufsicht (unter Auslassung der Leistungsgehäuse) der in 11 und 12 gezeigten Vorrichtung ist,
15 eine Perspektivansicht der Rohrträgeranordnung und der Hauptspule, welche in 11 und 12 gezeigt sind, ist,
16 ein Seitenaufriss des in 12 und 14 gezeigten Rohrträgertisches ist,
17 eine Draufsicht des in 16 gezeigten Rohrträgertisches ist,
18 ein entlang von Linien 18-18 in 16 betrachteter Endaufriss des hinteren Wagens ist,
19 ein Frontaufriss des in 18 gezeigten hinteren Wagens ist,
20 ein entlang von Linien 20-20 in 16 betrachteter Endaufriss des vorderen Wagens ist,
21 ein Frontaufriss des in 20 gezeigten vorderen Wagens ist,
22 eine perspektivische Ansicht des Frontendes der Formvorrichtung ist, wobei die obere Hälfte des verbundenen Isolatorblocks und des Feldkonzentrators abgehoben sind,
23 ein vergrößerter Aufriss, teilweise im Querschnitt, der an dem vorderen Wagen angebrachten Rohranordnungsanordnung wie in 12 gezeigt ist,
24 ein vergrößerter Endaufriss des in 23 gezeigten Anbrigungsblocks ist,
25 ein vergrößerter Seitenaufriss des in 23 gezeigten Isolatorblocks ist,
26 ein entlang von Linien 26-26 in 25 betrachteter Endaufriss ist,
27 ein entlang von Linien 27-27 in 25 betrachteter Endaufriss ist,
28 ein entlang von Linien 28-28 in 23 betrachteter Endaufriss des Feldkonzentrators ist, wobei zum Zwecke der Klarheit der Rohranordnungsblock und das Rohr und das Endstück entfernt sind,
29 eine Draufsicht des in 23 gezeigten Feldkonzentrators ist,
30 eine teilweise gestrichelt ausgeführte vergrößerte Ansicht ist, welche die in – 23 gezeigte Rohranordnungsanordnung zeigt,
31 eine Draufsicht entlang Linien 31-31 in 30 ist,
32 eine vergrößerte Draufsicht auf den in 31 gezeigten Anordnungsblock ist,
33 ein Seitenaufriss des Anordnungsblocks entlang von Linien 31-31 in 32 ist,
34 ein Endaufriss des Anordnungsblocks entlang von Linien 32-32 in 33 ist,
35 eine Draufsicht der in 23 und 31 gezeigten Verbindungswelle ist,
36 ein Seitenaufriss der in 35 gezeigten Verbindungswelle ist,
37 ein Seitenaufriss des in 31 gezeigten Greifers ist, und
38 ein vergrößerter Querschnittsaufriss einer Hälfte des um das Rohr und das Endstück, welche in 23 gezeigt sind, positionierten Feldkonzentratornetzes unmittelbar vor dem Formen ist.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Sich nun der Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen identische oder einander entsprechende Teile kennzeichnen, und insbesondere 1 und 2 hiervon zuwendend, ist ein mit der Vorrichtung dieser Erfindung gefertigtes Drehmomentrohr gezeigt, welches ein langgestrecktes zylindrisches Rohr 32 mit einer longitudinalen Achse 33 und ein an jedem Ende koaxial in dem Rohr 32 befestigtes Endstück 34 aufweist. Das Rohr 32 ist bevorzugt aus von dem Lieferanten in T-3 Temperierung gekauftem 2024 Aluminium. Pesheney, ein Aluminiumhersteller in Frankreich, liefert 2024 Rohre mit verschiedenen Durchmessern und Wandstärken, welche zur Benutzung bei diesen Drehmomentrohren geeignet sind, obwohl andere Materialien benutzt werden können, abhängig von den vorgesehenen maximalen Belastungen, der Ermüdungslebensdauer und der chemischen Umgebung, auf welche das Drehmomentrohr erwartungsgemäß treffen kann. Die Endstücke 34 sind ausgelegt, in den Enden des Rohrs 32 befestigt zu werden, indem das Rohr um das Endstück geformt wird. Eine Vielzahl an Formtechniken ist bekannt und könnte zu diesem Zweck benutzt werden, wie Formkneten, Hydroformen, Explosionsformen etc.. Erfindungsgemäß ist die Herstellungstechnik zum Befestigen der Endstücke 34 in den Enden des Rohres 32 ist jedoch elektromagnetisches Pulsformen, welches unten stehend detailliert erklärt wird, was es erfordert, dass das Rohr 32 elektrisch leitend oder, falls nicht, mit einer leitenden Hülle versehen werden muss, in welchem bei dem Formprozess Wirbelströme magnetisch induziert werden können. Wenn eine leitende Hülle über einem Rohr aus einem Material wie rostfreiem Stahl mit geringerer Leitfähigkeit benutzt wird, trifft die unten stehende Diskussion betreffend die Erzeugung von entgegengesetzten magnetischen Feldern in dem Rohr auf die leitende Hülle zu.
Das in 3–8 gezeigt Endstück 34 ist bevorzugt aus 15-5 rostfreiem Stahl mit 15% Chrom, 5% Nickel, 4% Kupfer und dem Rest Eisen mit weniger als etwa 1% Kohlenstoff gefertigt. Natürlich könnten andere Materialien für das Endstück 34 benutzt werden, aber 15-5 rostfreier Stahl wird wegen seiner Kombination von Korrosionswiderstand, Verarbeitbarkeit und Stabilität benutzt. Das Endstück 34 weist einen rohrförmigen Körper 36 mit einem inneren axialen Ende 35 und einer longitudinalen Achse 37, welche bei dem zusammengebauten Drehmomentrohr 30 mit der Achse 33 des Rohrs 32 zusammenfällt, auf. Eine Drehmomentkupplung 38 ist integral mit dem Endstück 34 an einem axialen Ende des rohrförmigen Körpers 36 ausgebildet. Eine axiale Bohrung 40 erstreckt sich durch den rohrförmigen Körper 36 und ist an jedem Ende 41 abgeschrägt, um Gewicht zu sparen. Eine vergrößerte Gegenbohrung 42, koaxial mit der axialen Bohrung 40, erstreckt sich durch die Drehmomentkupplung 38, wie in 6 am Besten gezeigt ist.
Eine von beiden oder beide Drehmomentkupplungen 38 an den Endstücken an den zwei Enden des Drehmomentrohres 30 könnten Komponenten einer U-Verbindung oder einer anderen herkömmlichen Kopplungseinrichtung sein, aber die Kopplung 38 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Keilring 44 mit drei axial hervorstehenden Noppen 46, welche umfangsmäßig gleichmäßig um den Ring 44 beabstandet sind. Jede Noppe 46 weist ein radiales Loch 48 auf, welches sich komplett durch die Noppe erstreckt und mit der axialen Gegenbohrung 42 in Verbindung steht. Jedes Loch 48 empfängt einen in 6 gezeigten Gewindeeinsatz 50, um Schrauben 52 aufzunehmen, um eine koaxiale innen mit Keilen versehene Hülle 54 axial um den Keilring 44 in Position zu halten. Die in 9 und 10 dargestellte Hülle 54 koppelt das Drehmomentrohr 30 mit einem antreibenden oder angetriebenen Zahnrad in dem mechanischen System, in welchem sie arbeitet. Beispielsweise wird in der vorderen Kante eines Flugzeugflügels das Drehmomentrohr 30 durch einen Motor angetrieben und treibt ein Zahnradgetriebe an, um ein Zahnrad anzutreiben, wenn Vorflügel der vorderen Kante zum Start oder zur Landung ausgefahren oder eingezogen werden sollen. Die Hülle 54 ermöglicht es dem Drehmomentrohr 30, sich in Bezug auf das antreibende Zahnrad oder den gekoppelten Mechanismus winkelmäßig zu biegen, während es in drehmomentgekoppelter Beziehung hierzu verbleibt, und ermöglicht zudem ein begrenztes Maß an axialer Verschiebung des Drehmomentrohres 30, um Flügelverbiegung während dem Flug auszugleichen.
Wie am Besten in 4 gezeigt, sind sechs flache Flächen 56 auf die Oberfläche des Mittelabschnitts 57 des rohrförmigen Körpers 36 gefräst, welche durch die Achse 37 einen Querschnitt ungefähr in Form eines regelmäßigen Vielecks, bevorzugt eines Sechsecks, bilden, wie in 8 dargestellt ist. Die flachen Flächen 56 enden axial kurz vor beiden Enden des rohrförmigen Körpers 36, was die zwei Endabschnitte des rohrförmigen Körpers 36 jeweils in Form eines Zylinders mit kreisförmigen Querschnitt, welcher sich axial etwas über den hexagonalen Mittelabschnitt hinaus erstreckt, als eine Endstützoberfläche 58 und eine Mittelstützoberfläche 60 für das Rohr 32 an beiden axialen Enden der flachen Flächen 26 bietend belässt, wenn das Rohr in die flachen Flächen 56 herunter elektromagnetisch pulsgeformt wird. Die axialen Enden der flachen Flächen 56 verschmelzen mit den Stützoberflächen 58 bzw. 60 mit geneigten Schultern 62 bzw. 64, welche in einem Winkel 30 und 55°, bevorzugt um 55°, aus der Horizontalen liegen, um welche das 2024 Aluminium des Rohres 32 in dem T-3 Zustand ohne zu brechen geformt werden kann. Elektromagnetisches Formen des Aluminiumrohrs 32 auf den hexagonalen Mittelabschnitt 57 des Endstücks 34 stellt eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Endstück 34 und dem Rohr 32 her, welche in Torsionsrichtung stabiler ist als das Rohrmaterial selbst. Axiale Lastübertragung zwischen dem Rohr 32 und dem Endstück wird durch Eingriff der Schultern 62 und 64 an dem Endstück mit Abschnitten des Rohrs 32, welche über die Schulter geformt werden, hergestellt.
Eine Vertiefung 66 wird in die flache Seite jeder Fläche 56 wie am Besten in 6 und 8 gezeigt gefräst. Die Vertiefung 66 ist eine Vertiefung mit einfachem kreisförmigen Querschnitt, welche mit einem einfachen Schneidwerkzeug mit sphärischem Ende geschnitten ist. Die Vertiefung 66 stellt ein Auslaufgebiet für das Rohr 32 bereit, um sich in dieses auszudehnen, wenn es elektromagnetisch um das Endstück 34 geformt wird, so dass es nicht von der flachen Seite der Flächen 56 durch Zurückfedern oder Abprallen zurückspringt. Dies stellt sicher, dass das Rohrmaterial unter leichter Spannung bleibt, nachdem es um das Endstück 34 geformt wird, so dass es eine leichte Ringspannung behält und eine feste Torsionsverbindung mit dem Endstück 34 aufrechterhält.
Die Abmessungen der Vertiefung 66 sind nicht kritisch und müssen nicht innerhalb enger Toleranzen gehalten werden, so dass die maschinelle Bearbeitung der Vertiefung kein kostspieliger Bearbeitungsvorgang ist. Die Form der Vertiefung 66 sollte jedoch dem Empfangen des Rohrmaterials, wenn es auf das Stück 34 geformt wird, zuträglich sein und jegliche scharfe Biegungen oder Faltungen des Materials vermeiden, wenn es sich in die Vertiefungen 66 hineinformt. Der Krümmungsradius der kreisförmigen Vertiefung 66 sollte größer sein als etwa 10% des Radius der axialen Bohrung 40, und weniger als ein Drittel der Punkt-zu-Punkt-Abmessung der Fläche der hexagonalen Oberfläche, in welcher die Vertiefung gebildet wird. Diese Proportionen sprechen für eine Vertiefung 66, welche groß genug ist, das Ausfließen des Rohrs ohne eine scharfe Biegung an der Kante der Vertiefung 66 und ohne übermäßiges Ausdünnen des Bodens der Vertiefung 66, was sie in einem Maße schwächen könnte, dass sie sich während dem Formen deformieren könnte, aufzunehmen, wenn sich das Rohr um das Endstück 34 herunterformt.
Der Keilring 44 erstreckt sich radial von einer Stufe 68 mit vergrößertem Durchmesser an dem inneren Ende des rohrförmigen Körpers 36. Die Stufe 68 bildet mit dem rohrförmigen Körper 36 bei der Verbindung mit der mittleren zylindrischen Trägeroberfläche 60 eine Schulter 70. Wenn das Endstück 34 in das Rohr 32 eingesetzt wird, wird der rohrförmige Körper 36 den ganzen Weg soweit es möglich ist in das Rohr 32 geschoben. Das Ende des Rohrs 32 gelangt nicht tatsächlich mit der Schulter 70 in Eingriff, weil eine Ausrundung 72 an der Ecke des Endstücks 34 dort, wo die mittlere zylindrische Trägeroberfläche 60 auf die Schulter 70 trifft, mit der inneren peripheren Kante des Rohrendes in Eingriff gelangt, bevor das Rohrende die Schulter 70 erreicht; so verbleibt ein kleiner Zwischenraum 74 zwischen der Schulter 70 und dem axialen Ende des Rohrs 32. Die Ausrundung 72 vermeidet es, ein Spannung hervorrufendes Element an dieser Innenecke zu erzeugen, und der Zwischenraum 74 stellt einen Raum bereit, in welchen ein Dichtungsmittel aufgebracht und gehalten werden kann, um die Schnittstelle zwischen dem Endstück 34 und dem Rohr 32 abzudichten. Die hervorstehenden Noppen 46 weisen axiale Endflächen 76 auf, welche präzise maschinell bearbeitet sind, um den distalen Endabschnitt 78 des Endstücks 34, in 7 als derjenige Abschnitt zwischen der Schulter 70 und den axialen Endflächen 76 der herausragenden Noppen 46 angedeutet, eine bekannte Abmessung zu geben, welche nützlich ist, das zweite Ende des Rohres 32 auf ein Endstück 34 zu formen, nachdem das erste Ende auf einer unten zu beschreibenden Formvorrichtung 100 geformt wurde.
Die in 11–17 gezeigte Formvorrichtung 100 führt das Verfahren des elektromagnetischen Formens des Aluminiumrohrs 32 auf Endstücke 34 durch, um die Drehmomentrohre 30 in Übereinstimmung mit dieser Erfindung herzustellen. Diese Vorrichtung könnte ebenso zur Herstellung anderer Arten von Rohren mit Endstücken und sogar zum Verkleinern von Rohrenden benutzt werden. Sie ist schnell, einfach zu benutzen, sicher, ruhig, verlässlich, wiederholbar und ist zu einer Produktion mit einer fortwährenden Rate in der Lage.
Wie am Besten in 11 und 15 dargestellt, umfasst die Vorrichtung 100 eine Rohrträgeranordnung 102 zum Halten des Rohrs 32, während das Endstück in das Ende des Rohrs 32 eingesetzt und richtig positioniert wird, und zum Bewegen des Rohrs 32 und des installierten Endstücks 34 in eine Öffnung 103 in einer Hauptspule 104, wo das Rohr elektromagnetisch auf das Endstück 34 geformt wird, wobei elektrische Leistung durch eine Leitung 105 von einem Stromversorgungsschrank 106 zugeführt wird, welcher eine Stromversorgung, eine Kondensatorbank und elektronische Steuerungen zum Versorgen der Hauptspule 104 mit Leitung enthält. Leistung von den Kondensatoren in dem Schrank 106 wird entlang von 15 Kabeln in der Leitung 105 an einen Leistungsbus in einem Gehäuse 107 über der Hauptspule 104 geliefert, mit welcher der Leistungsbus elektrisch verbunden ist. Ein Kühler 109 kühlt ein Kühlmittel, welches durch Kühlkanäle in der Hauptspule 104 gepumpt wird, um während dem Betrieb der Vorrichtung 100 erzeugte Wärme abzuführen. Die Hauptspule 104 und der Stromversorgungsschrank (und damit verbundene Komponenten) sind kommerziell von Elrag, Inc. aus San Diego, Kalifornien als „Magnepuls” Elektromagnetisches Energiepulssystem erhältlich.
Die Rohrträgeranordnung 112 umfasst einen langgestreckten Tisch 108, auf welchem zwei Paare von Schienen 110 zum Tragen eines vorderen Wagens 112 und eines hinteren Wagens 114 zur longitudinalen Bewegung auf den Schienen 110 angebracht sind. Zwei Kolbenstangen 116 auf Kolben in zweifach wirkenden Luftzylindern 118, einer auf jeder Seite des Tisches 108 und sich entlang der longitudinalen Kanten des Tisches erstreckend, sind mit dem vorderen Wagen 112 zur longitudinalen Bewegung entlang der Schienen 110 verbunden. Eine Verbindungsstange 120 ist zwischen dem vorderen Wagen 112 und dem hinteren Wagen 114 befestigt, um sicherzustellen, dass sich beide Wägen 112 und 114 zusammen bewegen. Das hintere Ende der Verbindungsstange 120 ruht auf einem sich bewegenden Block 121. Ein Handrad 112 auf einer in eine U-Klammer 124 geschraubten Klemmschraube an dem hinteren Wagen 114 erlaubt es, den Abstand zwischen dem vorderen und hinteren Wagen einzustellen. Räder 123 tragen den vorderen und hinteren Wagen 112 und 114 und den sich bewegenden Block 121 für eine gleichmäßig lineare Bewegung entlang der Schienen 110.
Ein am Besten in 16 gezeigtes Steuerventil 125 steuert den Fluss von Druckluft aus einer Druckluftquelle über eine Versorgungsleitung 127 an Luftleitungen 129 zu einem ausgewählten Ende der Luftzylinder 118, so dass die Wägen in eine von beiden Richtungen angetrieben werden können, indem das Steuerventil in eine Richtung oder die andere betätigt wird. Ein aus der Rückseite des hinteren Wagens 114 herausragender Sensor 126 wie in 14 gezeigt ist mit einer longitudinalen Skala 128 in Eingriff, wie die „Pro-Scale” #210-10, erhältlich von Accurate Technology, Inc. in Kirkland, WA. Ein digitaler Anzeiger 130 auf einer Anzeige 132 zeigt die longitudinale Position des hinteren Wagens 114 wie durch den Sensor 126 erfasst an.
Jeder Wagen 112 und 114 umfasst eine selbstzentrierende pneumatisch betätigte Dreirollenrohrklemme 134 wie die Autoblock #MWR 21/75, kommerziell erhältlich von Reynolds Machine and Tool Co. in Melrose Park, IL. Die Rohrklemmen 134 sind oben auf den Wägen 112 und 114 angebracht, um das Rohr 32 zu greifen und zu zentrieren, wenn Ventilhebel 135 an einer pneumatischen Steueranordnung 136 bewegt werden. Die Benutzung von selbstzentrierenden Klemmen 1345 ermöglicht es, dass alle Größen des Rohrs 32 auf ihre jeweiligen Mittellinien geladen werden, so dass das Rohr immer mit der Mitte der Formspule 104, welche unten beschrieben wird, ausgerichtet ist, und ermöglicht eine Drehung des Rohrs nach den Klemmen. Ein hinterer Anschlag 138 ist die Achse der Rohrklemmen 134 schneidend an dem hinteren Wagen 114 angebracht, um eine Referenzoberfläche bereitzustellen, gegen welche das Rohr 32 angestoßen werden kann. Die bekannte Länge des Rohrs 32 kann mit der longitudinalen Skala 128 und dem Sensor 126 benutzt werden, um das Ende des Rohrs 32 wie unten beschrieben relativ zu dem hineingeschachtelten Endstück 34 in der Hauptspule genau zu positionieren.
Eine in 22 und 23 gezeigte Rohranordnungsanordnung 150 umfasst einen Befestigungsblock 152, durch den die Rohranordnungsanordnung 150 an dem vorderen Wagen 112 angebracht ist, und einen mit einem Ende an dem Befestigungsblock 152 befestigten Isolatorblock 154. Der Isolatorblock ist aus einem geeigneten nicht leitenden Material wie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht gefertigt, welches nicht nur ein guter elektrischer Isolator und ein widerstandsfähiges Material ist, sondern auch den durch den elektromagnetischen Formpuls erzeugten Harmonischen besser widersteht als bei Anwendungen dieser Art normalerweise benutzte Phenole.
Ein Umfangsflansch 155 eines Feldkonzentrators 156, gezeigt in 28 und 29 und aus einem hochleitenden hochstabilen Material wie Berylliumkupfer gefertigt ist mit Schrauben 157 an einem Ende zu dem anderen Ende des Isolatorblocks 154 wie in 23 gezeigt befestigt. Ein ebenso aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht gefertigter Anordnungsblock 158 ist an dem anderen Ende der unteren Hälfte des Feldkonzentrators 156 befestigt. Der Anordnungsblock 158 wird vertikal zur gleitenden Bewegung auf einem sich nach oben öffnenden halbzylinderförmigen Kanal 159 auf der Oberseite eines an der zugewandten Oberfläche der Hauptspulenanordnung 104 befestigten Wiegenblocks 160 getragen. Der Isolatorblock 154 und der Feldkonzentrator 156 sind auf einer horizontalen Ebene durch die longitudinale Achse des Isolatorblocks 154 und des Feldkonzentrators 156 in obere und untere diametrische Hälften zur Vereinfachung des Einsetzens des Rohrs 32 und des darin verschachtelten Endstücks in dem Feldkonzentrator 156 zum Formen wie unten beschrieben geteilt. Eine dünne Schicht einer elektrischen Isolierung 161 wie Polyethylen oder Teflon oder bevorzugt G-10 Glasfasern bedeckt die Oberfläche der oberen und unteren Feldkonzentratorhälften entlang der horizontalen Ebene, welche die oberen und unteren Hälften teilt, um die zwei Hälften des Feldkonzentrators 156 voneinander elektrisch zu isolieren.
Wie am Besten in 30–33 gezeigt, greift ein Rohranordner 162 in einer axialen Bohrung 164 in dem Anordnungsblock 158 das Endstück 34 und zieht es gegen eine Referenzoberfläche 166 an dem Anordnungsblock 158 oder gegen einen geschlitzten Abstandshalter genau bekannter Dicke, welcher zwischen die Oberfläche 166 und das Endstück 34 eingesetzt ist, um das Endstück 34 in dem Anordnungsblock 158 genau zu positionieren, wobei der mittlere Abschnitt 57 des rohrförmigen Körpers 36 in einem isolierten Kanal 167 durch die Mitte eines Netzes 168 des Feldkonzentrators 156 wie in 38 gezeigt zentriert ist. Die Position des Rohrs 32 wird durch Eingriff des hinteren Endes des Rohrs 32 mit der Referenzoberfläche auf den hinteren Anschlag 138 an dem hinteren Wagen 114 festgelegt und wird dann an diesem Ort durch die Klemmen 134 verriegelt.
Der Rohranordner 162 umfasst einen Greifer wie den Reibungsgreifer 170, welcher ein elastomerisches Element wie eine Gummischeibe 152, welche zwischen zwei Scheiben zusammengedrückt ist, aufweist, und welcher eine etwas größerer Größe aufweist als die Gegenbohrung 42 in dem Endstück 34. Der Greifer wird in die Gegenbohrung 52 gedrückt, wobei die Gummischeibe 152 durch den Presssitz etwas zusammengedrückt wird, was es dem Greifer 170 ermöglicht, eine Reibungskraft auf das Endstück auszuüben, wenn der Greifer nach vorne gezogen wird, womit das Endstück 34 nach vorne gegen die Schulter 166 des Anordnungsblocks 158 gezogen wird. Der Zug nach vorne wird durch eine Spannhebelbetätigungsklemme 173 an dem vorderen Ende des Rohranordners 162 ausgeübt. Die Klemme 173 ist kommerziell von der De-Sta Company als die Model 602 Toggle Clamp erhältlich. Die Klemme 173 wird in einen Gegenbohrungsabschnitt 174 der axialen Bohrung 164 in dem Anordnungsblock 158 geschraubt und weist eine axiale Welle 178 auf, welche axial bewegt wird, wenn ein Hebel 180 an der Klemme 173 um seinen Drehpunkt 182 gedreht wird. Die axiale Welle 178 ist mit dem Greifer 170 durch einen Gabelkopf 184 an dem Ende einer Verbindungswelle 186 verbunden. Ein mit einem Gewinde versehenes axiales Loch 187 durch die Verbindungswelle 186 nimmt die mit einem Gewinde versehene Gabel 188 des Greifers 170 auf.
Der Greifer könnte ebenso als Stützdorn in der Bohrung 40 des Endstücks 34 funktionieren. Bei dieser Abwandlung wird die Gummischeibe 172 durch einen langgestreckten zylindrischen Stahlstab ersetzt, welcher lang genug ist, sich über die volle Länge der Bohrung 40 durch den rohrförmigen Körper 36 zu erstrecken und welcher einen Durchmesser aufweist, welcher etwas geringer ist als der Durchmesser der Bohrung 40. Ein U-Ring wird in einer Vertiefung in dem Stahlstab angeordnet, um das Endstück an seinem Platz zu halten, wenn der Hebel 180 der Klemme 173 verschoben wird, um das Endstück gegen die Schulter 166 des Anordnungsblocks 158 zu ziehen. Der Stahlstab stützt den Boden der Vertiefungen 66 gegen Deformation, wenn das Rohr 32 elektromagnetisch auf den rohrförmigen Körper 36 pulsgeformt wird.
Die axiale Bohrung 164 in dem Anordnerblock liegt in einem halbzylindrischen Buckel 190 auf dem Anordnungsblock 158. Ein sich nach oben öffnender Schlitz 192 in der Oberseite des Buckels 190 steht mit der axialen Bohrung 164 in Verbindung und stellt ein Spiel für den Greifer 170 bereit, um sich um den Gabelkopf 184 nach oben und aus dem Schlitz 192 heraus zu drehen, so dass er zugänglich ist, um das Endstück 34 auf den Greifer 170 einzusetzen.
Im Betrieb wird ein Auftrag, Drehmomentrohre 30 eines gewissen Durchmessers und einer gewissen Länge herzustellen, von dem Kunden empfangen und ein Herstellungsauftrag wird an die Werkstatt geschickt. Längen eines Rohrs 32 des passenden Durchmessers und der passenden Wandstärke werden ausgewählt und auf die gewünschte Länge zugeschnitten, welche die Gesamtlänge des Drehmomentrohrs 30 weniger der Dicke der Drehmomentkupplung 38, welche aus jedem Ende des Drehmomentrohrs 30 herausragt, und der Breite des Zwischenraums 74 zwischen dem Ende des Rohrs 32 und der Schulter 70 an der Stufe 68 des Endstücks ist. Das Rohr 32 wird mit einer Korrosionsschutzgrundierung auf seiner inneren Oberfläche beschichtet, wenn das Rohr 32 nicht bei hoher Temperatur wärmebehandelt wird. Die Ausgestaltung des Endstücks 32 toleriert eine Grundierung in der Schnittstelle zwischen dem geformten Rohrende und dem Endstück, so dass das Rohr vor dem Formen grundiert werden kann. Das heißt, die letztendliche Stabilität und der letztendliche Ermüdungswiderstand der Verbindung zwischen dem Rohrende und dem Endstück wird durch die Anwesenheit einer Grundierung in der Schnittstelle nicht nachteilig beeinflusst. Die Anwesenheit einer Grundierung in der Verbindung trägt zudem zu dem Schutz vor galvanischer Korrosion bei, sollte Feuchtigkeit das nach dem Formen wie unten beschrieben aufgebrachte Dichtmittel durchdringen.
Die Vorrichtung wird konfiguriert, indem der Befestigungsblock 152 der Rohranordnungsanordnung 150 der korrekten Größe für das Rohr 32 dieses Durchmessers an der Stirnseite des vorderen Wagens 112 angebracht wird und der Anordnungsblock 158 dieser Rohranordnungsanordnung an dem Wiegenblock 160 in einer Linie mit der Öffnung 103 in der Hauptspulenanordnung 104 getragen wird. Das Anbringen des Befestigungsblocks 152 an der vorderen Wagenanordnung wird durch ein Paar einstellbarer Trägerklammern 194, welche in 15 und 20 gezeigt sind und an der Stirnseite des Wagens 112 unter der Position des Befestigungsblocks 152 angebracht sind, erleichtert.
Eine (nicht gezeigte) Kalibrierungsstange genau bekannter Länge, geeigneter Weise ungefähr 24 Zoll, wird in die Rohrklemmen 134 mit ihrem vorderen Ende gegen die Schulter 166 des Anordnerblocks 158 platziert. Die Zylinder 118 werden unter Druck gesetzt, indem der in 12 gezeigte pneumatische Steuerhebel betätigt wird, um den vorderen Wagen nach vorne zu der Grenze des Eingriffs des Befestigungsblocks 152 gegen die äußere Fläche des Wiegenblocks 160 anzutreiben. Das Handrad 122 wird gelöst und der hintere Wagen 114 wird nach vorne bewegt, bis die vordere Fläche des hinteren Anschlags 138 das hintere Ende des Kalibrierstabs kontaktiert. Der digitale Anzeiger 130 wird auf die Länge des Kalibrierstabs gesetzt, was genau den Abstand von der vorderen Fläche des hinteren Anschlags 138 zu der Schulter 166 festsetzt.
Der Greifer 170 in dem Schlitz 192 in dem Buckel 190 wird nach oben und aus dem Schlitz herausgedreht, und ein Endstück 34 wird auf den Greifer 170 aufgesteckt. Ein vorher auf Größe zugeschnittenes Rohr 92 wird über das Endstück 34 gesteckt und nach unten auf die Rohrklemmen 173 gelegt, wobei der Greifer zurück in den Schlitz 192 gedreht wird. Das Rohr wird in den Klemmen 134 nach hinten in Kontakt mit dem hinteren Anschlag 138 geschoben, und die Steuerhebel in dem pneumatischen Steuerfeld 136 werden betätigt, um die Klemmen 134 zu schließen. Der Hebel 180 an der Kniehebelklemme 173 wird gedreht, um das Endstück gegen die Schulter 166 in dem Anordnerblock 158 zu ziehen, was den Mittelabschnitt 57 des rohrförmigen Körpers 36 in dem Kanal 167 durch das Netz 158 des Feldkonzentrators 156 akkurat zentriert. Die obere Hälfte des horizontal geteilten und axial verbundenen Isolatorblocks 154 und des Feldkonzentrators wird auf die untere Hälfte platziert und mit der Hilfe von Ausrichtungsknöpfen 196, welche in die obere Fläche der unteren Hälfte des Isolatorblocks wie in 23, 25 und 27 gezeigt eingelassen sind, ausgerichtet.
Der Hebel 195 des pneumatischen Steuerventils 125 für die Zylinder 118 wird gedreht, um die Zylinder 118 unter Druck zu setzen und die Kolben 116 nach vorne anzutreiben. Die Kolben 116 drücken den vorderen Wagen 112 entlang der Schienen 110 bis zu der Grenze der Bewegung des Wagens 112 vorwärts, welche vorliegt, wenn der Befestigungsblock 152 die Fläche der Hauptspule 104 kontaktiert. Bei dieser Position des vorderen Wagens 112 sind das Ende des Rohrs 32 und das Endstück 34 in der Mitte des Netzes 168 des Feldkonzentrators 156 positioniert, und der Feldkonzentrator 156 ist axial in der Öffnung 103 der Spule 104 zentriert. Das Rohr 32 und das Endstück sind nun zum elektromagnetischen Formen positioniert.
Die Formleistung für den bestimmten Rohrdurchmesser und die bestimmte Wandstärke wird aus zuvor durchgeführten Tests der optimalen Leistungsstufen für die verschiedenen Rohrgrößen ausgewählt, und die Kondensatoren in dem Stromversorgungsschrank 106 werden geladen. Die Leistung kann variiert werden, indem die Kondensatoren auf eine ausgewählte Spannung geladen werden, und indem alle oder eine ausgewählte geringere Anzahl von Kondensatoren in der Kondensatorbank geladen werden. Fünf Gruppen von Kondensatoren, jeweils mit einer Speicherkapazität von 12 Kilojoule, sind in dem Schrank 106 vorgesehen und können in verschiedenen Kombinationen ausgewählt und auf verschiedene Spannungen geladen werden, um eine Auswahl von Leistungsstufen zu ergeben, aus welchen der Bediener auswählen kann. Wenn die Kondensatoren geladen sind, steht der Bediener hinter einem Sicherheitsschild und drückt einen „Start”-knopf auf einem entfernten Bedienfeld nach unten, was ein oder mehrere Ignitrons fernbedient, um die Wicklungen in der Spule 104 aus der gewählten Anzahl von Kondensatoren in der Kondensatorbank in dem Schrank 106 mit Energie zu versorgen.
Ein Stromstoß aus den Kondensatoren fließt durch die Wicklungen in der Spule 104 und ruft ein schnell ansteigendes magnetisches Feld, welches axial durch die Öffnung 103 in der Hauptspule 104 gerichtet ist, hervor. Das magnetische Feld induziert Wirbelströme in dem Feldkonzentrator 156, welche umfangsmäßig in dem Flansch 155 wie durch die Pfeile 198 in 28 angedeutet fließen. Die Öffnung 103 in der Hauptspule 104 ist durch eine geeignete Isolationsschicht wie G-10 Glasfasern isoliert, um die Wirbelströme daran zu hindern, zwischen der Hauptspule 104 und dem Feldkonzentrator 156 kurzzuschließen. Die Isolierung auf der Oberfläche des Feldkonzentrators an der horizontalen Trennlinie unterbricht den umfangsmäßigen Leitungspfad und zwingt die Wirbelströme, die Flussschleife zu vervollständigen, indem sie radial in das Netz 168 und umfangsmäßig um die Kanten des Kanals 167 fließen. Da sich das Netz im Querschnitt an seinen radial innen liegenden Abschnitten wie in 29 gezeigt verengt, wird die Stromdichte und somit das durch den Strom erzeugte magnetische Feld durch den Kanal 167 in dem Netz 168 des Feldkonzentrators 156 verstärkt. Die Wirbelströme in dem Netz 168 sind von dem Rohr 32 durch eine Schicht isolierender Verkleidung in dem Kanal 167 isoliert.
Das durch die Wirbelströme in dem Netz 168 induzierte magnetische Feld in dem Kanal 167 induziert in dem in dem Kanal liegenden Rohr 32, wie in 22 und 28 zu sehen, einen entgegengesetzt fließenden umfangsmäßigen Wirbelstrom, angedeutet durch die Pfeile 199. Der Wirbelstrom um das Rohr 32 erzeugt ein magnetisches Feld entgegengesetzt zu der Richtung des durch die Wirbelströme in dem Feldkonzentrator erzeugten magnetischen Feldes, und die entgegengesetzten magnetischen Felder ergeben einen starken radial nach innen gerichteten Kraftstoß auf das Rohr und eine gleiche radiale Kraft nach außen auf den Feldkonzentrator 156. Die nach innen auf das Rohr ausgeübte Kraft deformiert die Rohrwände gegen den rohrförmigen Körper 36 des Endstücks 34 nach innen. Das Rohrmaterial wird etwas gestreckt, während es sich der hexagonalen Querschnittsform des Mittelabschnitts 57 des rohrförmigen Körpers 36 anpasst, aber die abgerundeten Spitzen des hexagonalen Querschnitts und der Eingangswinkel der abgeschrägten Oberflächen 62 und 64 zwischen den Endstützoberflächen 58 und 66 und den flachen Flächen 56 und den Vertiefungen 66 sind flach genug, dass die rohrförmige Wand des Rohrs 52 nicht genug gebogen oder gespannt wird, um irgendwelche Risse hervorzurufen. Die Vertiefungen 66 erlauben jedoch eine radiale Abweichung des Rohrmaterials in dem mittleren Gebiet der flachen Flächen 56 in die Vertiefung, was das Rohrmaterial daran hindert, von den flachen Flächen nach dem elektromagnetischen Formimpulskraftstoß zurückzuspringen oder abzuprallen.
Wie in 38 gezeigt ist das Netz 168 des Feldkonzentrators 156 exakt über dem Mittelabschnitt 57 des rohrförmigen Körpers 36 des Endstücks, gezeigt in 4 und 6, zentriert. Die Dicke des Netzes 168 in der Richtung der Achse 33 ist bevorzugt schmaler als der Mittelabschnitt 57 des rohrförmigen Körpers 36 des Endstücks, um die Erzeugung eines magnetischen Feldes hoher Intensität, welches einen starken radialen Kraftvektor auf das Rohr direkt über der Endträgerfläche 58 und einer Mittelträgerfläche 60 des Endstücks 64 erzeugt, zu vermeiden. Das magnetische Feld wird stark genug sein, das Rohr um die Trägeroberflächen 58 und 60 zusammenzudrücken, aber es ist bevorzugt, die Kraft zu begrenzen, um es dem Ende des Rohrs 32 über der Trägeroberfläche 60 und dem Buchtabschnitt des Rohrs über der Trägeroberfläche 58 zu ermöglichen, leicht nach innen gezogen zu werden, während sich das Rohr um und in dem Mittelabschnitt 57 des rohrförmigen Körpers 36 des Endstücks deformiert. Das nach innen ziehen von Rohrmaterial in den Mittelabschnitt 57 während dem Formen des Rohrs auf das Endstück minimiert jegliches Strecken des Rohrmaterials, welches sonst durch Festhalten des Rohrs 32 an den Stützoberflächen 60 und 58 mit einer radialen Kraft hinreichender Größe, um zu verhindern, dass das Rohrmaterial nach innen über die Trägeroberflächen 58 und 60 gezogen wird, während das Rohr auf das Endstück 34 geformt wird, erzeugt werden könnte.
Die gewünschte Modulation der radialen Kraft auf das Rohr über die Länge des rohrförmigen Körpers 36 kann ebenso erreicht werden, indem die Kanten des Netzes 168 des Feldkonzentrators 156 abgeschrägt werden, so dass die magnetische Feldintensität in dem Gebiet der Trägeroberflächen 58 und 60 geringer ist.
Ein Pulsüberwachungs- und -aufnahmesystem (nicht dargestellt) zeigt den an die Spule gelieferten Strom in drei Formen an, den Spitzenpulsstrom, die Pulsbreite und das Pulsintegral. Diese Information für jeden Formpuls wird ebenso für jeden Formvorgang aufgenommen und abgespeichert und wird mit der Identifikationsnummer für dieses spezielle Drehmomentrohr zur statistischen Prozesskontrolle und zur Erforschung jeglicher Probleme, welche sich mit diesem Teil entwickeln können, verknüpft.
Nach dem Formen des Rohrs 32 auf das Endstück 34 an einem Ende des Drehmomentrohrs 30 wird der Hebel 195 an dem pneumatischen Steuerventil 175 in 16 nach rechts gedreht, um die Kolbenstangen 116 aus der ausgefahrenen in 16 gezeigten Position zurück in die Zylinder 118 zurückzuziehen, wodurch der vordere Wagen 112 und der verbundene hintere Wagen 114 nach hinten zu der Grenze der Kolbenstangenbewegung in die in 12 gezeigte zurückgezogene Position gezogen werden. Die verbundenen oberen Hälften des Isolatorblocks 154 und Feldkonzentrators 158 werden von den unteren Hälften abgehoben und werden auf eine bequemerweise auf dem Tisch 108 neben der Hauptspule 104 angeordneten Plattform 210 mit der zurückgezogenen Position des Isolatorblocks und Feldkonzentrators platziert. Die Rohrklemmen 134 werden durch Drehung der Hebel 135 in 16 nach rechts gelöst, und die Kniehebelklemme 173 wird gelöst, indem der Hebel 180 gedreht wird. Das Rohr 32 wird aus den Rohrklemmen 134 herausgehoben, wobei der Greifer 170 und die Verbindungswelle 186 um den Drehpunkt für den Gabelkopf 184 gedreht werden. Das geformte Rohr 32 und das Endstück 34, in welches es geformt ist, wird von dem Greifer abgezogen und wird von Ende zu Ende umgedreht, so dass das ungeformte Ende nun das vordere Ende benachbart zu dem vorderen Ende der Vorrichtung 100 ist.
Da das Rohr 32 und sein an einem Ende des Rohrs 32 angebrachtes Endstück 34 nun länger sind als das Rohr 32 alleine, ist es nötig, eine Einstellung in der Vorrichtung 100 vorzunehmen, um die zusätzliche Länge aufzunehmen. Diese Einstellung wird durch eine Indexplatte 216, welche mit dem Ende des Verbindungsstabes 121 durch das mit einem Gewinde versehene Ende eines Hebels 218 auf der Indexplatte 216 verbunden ist, durch welchen der vordere Wagen 112 manuell linear entlang den Schienen bewegt werden kann, bereitgestellt. Die Indexplatte weist eine Abfolge von Löchern 210 auf, welche selektiv mit Gewindelöchern in einer darunter liegenden Struktur auf dem vorderen Wagen 112 ausgerichtet sind. Ein Gewindestift 212 mit einem T-Griff, am klarsten in 21 gezeigt, sichert die Indexplatte 206 in der eingestellten Position. Um die Einstellung vorzunehmen wird der Gewindestift 212 entfernt und die Indexplatte 206 wird eine ausgewählte Zusatzentfernung auf dem vorderen Wagen bewegt, was den Abstand zwischen dem vorderen Wagen 112 und dem hinteren Wagen 114 um die Dicke des distalen Abschnitts 78 des Endstücks 34 zuzüglich der Breite des Zwischenraums 74 vergrößert. Diese Vergrößerung des Abstands zwischen den Wägen 112 und 114 positioniert das andere Ende des Rohrs 32 in exakt derselben Position auf der Vorrichtung 100 wie das erste Ende des Rohrs 32, als das erste Ende auf das erste Endstück 34 geformt wurde. Der Gewindeindexstift 212 wird wieder in das ausgewählte Loch eingesetzt und eingeschraubt, um die Indexplatte sicher in ihrer neuen Position zu halten. Eine Schraube 214 in einem Schlitz 216 in der Indexplatte 206 wird angezogen, um zu verhindern, dass die Indexplatte 206 unter dem Einfluss eines durch vertikal getrennte auf die Indexplatte 206 durch den Indexstift 212 und das mit einem Gewindefeld versehene Ende des Hebels 208 auf die Indexplatte 206 ausgeübte Kräfte ausgeübten unausgeglichenen Drehmoment zu kippen. Die Löcher 210 in der Indexplatte 206 und die darunter liegenden Löcher in dem vorderen Wagen 112 sind positioniert, um Indexabstände für alle die Größen von Endstücken 34 bereitzustellen, welche benutzt werden, um Drehmomentrohre 30 auf der Vorrichtung 100 zu fertigen.
Ein neues Endstück 34 wird über den Greifer 170 gesteckt, und das Rohr 32 wird auf Rohrklemmen 134 nach unten gedreht, wobei der Greifer 170 und die Verbindungswelle 186 um den Drehpunkt des Gabelkopfes 184 in den Schlitz 192 gedreht werden. Das Verlängern des Abstandes zwischen dem vorderen und hinteren Wagen durch Rücksetzen der Indexplatte 206 wie oben beschrieben nimmt die vergrößerte Länge des Rohrs 32 mit dem an einem Ende angebrachten Endstück 34 auf, so dass das eine Ende des Rohrs 32 mit dem angebrachten Endstück 34 vor den hinteren Anschlag 38 passt. Die Hebel 135 an den Rohrklemmensteuerventilen 136 werden verschoben, um die Rohrklemmen 134 zu schließen und das Rohr 32 an seinem Platz festzuklemmen. Der Hebel 180 an der Kippklemme 173 wird verschoben, um das Endstück 34 in dem anderen Ende des Rohrs 32 gegen die Referenzoberfläche 166 in dem Anordnungsblock zu ziehen. Das Rohr 32 und das Endstück 34 sind nun in ihren korrekten relativen Position in dem Kanal des Netzes 168 wie in 22 und 23 dargestellt gesichert, bereit zum Farmen des Rohrendes auf das Endstück. Die verbundenen oberen Hälften des Feldkonzentrators und des Isolatorblocks werden von der Plattform 200 entfernt und auf die unteren Hälften platziert, wobei die Ausrichtungsknöpfe 196 benutzt werden, um die oberen Hälften korrekt auf den unteren Hälften zu positionieren. Der Hebel 195 an dem Steuerventil 125 für die Zylinder 118 wird verschoben, um die Zylinder unter Druck zu setzen und um die Wägen 112 und 114 nach vorne anzutreiben, bis der Befestigungsblock 192 mit dem Wiegenblock 160 in Eingriff gelangt, an welchem Punkt der Feldkonzentrator 196 mit seinem Netz 168 in der Mitte der Hauptspule 104 zentriert ist. Die Spule wird wie oben beschrieben mit Energie versorgt, um das Rohrende auf das Endstück 34 zu formen.
Der nach außen gerichtete magnetisch induzierte Kraft, welche auf den Feldkonzentrator 156 wirkt, wird trägheitsmäßig durch die relativ massiven Feldkonzentratorhälften widerstanden, und sie wird zudem durch die starken internen Strukturen in der Hauptspule 104 absorbiert. Diese internen Strukturen in der Hauptspule 104 stützen zudem die Spule selbst gegen radiale nach außen auf sie selbst gerichtete Kräfte, wenn die Spule 104 mit Energie versorgt wird. Somit sind die Spule und die Feldkonzentratorstrukturen ausgelegt, für viele Jahre stetiger Benutzug in einer industriellen Umgebung wiederbenutzbar zu sein. Die Betätigung der Vorrichtung 100 ist leise und sicher und erlaubt eine hohe Produktionsrate mit vorsagbaren wiederholbaren und reproduzierbaren Ergebnissen.
Das 2024 Aluminiumrohr in dem T-3 Zustand, in welchem es von dem Lieferanten empfangen wird und in welchem es geformt wird, ist empfänglich für Belastungskorrosionsreißen um das Gebiet des geformten Endes des Rohrs 32 in der Anwesenheit von Salzspray und einer ermüdenden Belastung langer Dauer. Dementsprechend wird das geformte Drehmomentrohr 30 künstlich in den T-81 Zustand gealtert, in welchem seine Empfänglichkeit für Belastungskorrosionsreißen stark verringert ist. Künstliches Altern in den T-81 Zustand wird erreicht, indem das Drehmomentrohr 30 auf 350°F geheitzt wird und bei dieser Temperatur für 12 Stunden gehalten wird und es ihm dann ermöglicht wird, allmählich in Luft abzukühlen, bis es Raumtemperatur erreicht. Nach dem Abkühlen wird das Drehmomentrohr in seinem T-81 Zustand mit einen widerstandsfähigen abplatzresistenten Anstrich zum Korrosionswiderstand angestrichen.
Wenn Drehmomentrohre 30 mit dünnwandigem Rohrmaterial und Hochleistungseinstellungen gefertigt werden, kann die Formrate größer sein, als sie vom Rohrmaterial ausgehalten werden kann, was zu kleinen Rissen in dem Gebiet der Schulter 62 führt. Die bevorzugte Heilung für derartige Risse ist es, die Leistungseinstellung zu verringern, so dass das Rohr 32 sanfter auf das Endstück 34 geformt wird. Alternativ kann das Rohr 32 in den W-Zustand wärmebehandelt werden, indem es für 45–69 Minuten auf etwa 975°F aufgeheizt wird und dann innerhalb 9 Sekunden mit Wasser abgeschreckt wird und dann auf etwa –20°F abgekühlt wird, bis das Rohr bereit zum Formen ist. Nach dem Formen in dem W-Zustand altershärtet das Rohr natürlicherweise in den T-42 Zustand und wird später in den T-62 Zustand durch Aufheizen auf etwa 375°F für 12 Stunden und Ermöglichen des Luftabkühlens auf Raumtemperatur wärmebehandelt. Ähnlich dem T-81 Zustand, in den das Rohr in dem T-3 Zustand wärmebehandelt wird, weist der T-62 Zustand verbesserten Widerstand gegenüber Korrosionsbelastungsreißen auf. Wenn Rohre benutzt werden, welche in den W-Zustand wärmebehandelt werden, ist es unpraktisch, die Rohre vor dem Formen zu grundieren, so dass stattdessen die Endstücke grundiert werden, um eine Grundierungsschicht zwischen dem Endstück 34 und dem Rohr 32 zu erzeugen. Das Verfahren ist gegenüber einer Grundierung in der Schnittstelle zwischen dem Rohr und dem Endstück tolerant, und die Qualität der Verbindung wird durch die Grundierung nicht nachteilig beeinflusst.
Die Endstücke 34 werden in dem Rohr 32 gegen Eindringen von Feuchtigkeit in die Schnittstelle zwischen dem Rohr 32 und dem Endstück 34 abgedichtet, um galvanische Korrosion zu verhindern, welche zwischen verschiedenen Metallen in Anwesenheit eines Elektrolyts auftreten kann. Obwohl das Innere des Rohrs 32 vor dem Formen des Endes auf das Endstück 34 bereits mit Grundierung beschichtet wurde, wird ein Dichtmittel als doppelter Schutz aufgebracht. Jegliches Dichtmittel, welches für die Anwendung geeignet ist, kann benutzt werden. Zur Benutzung in der führenden Kante eines Flugzeugflügels sollte das Dichtmittel ein widerstandsfähiges elastisches Material sein, welches klebrig anhaftet und seine Eigenschaften für mindestens etwa 20 Jahre in der Anwesenheit extremer Umweltfaktoren von Temperatur- und Chemikalien, in welchen das Drehmomentrohr arbeiten wird, wie Hydraulikflüssigkeit und Schmiermittel, behält. Das Dichtmittel wird durch Wischen in den Zwischenraum 74 und auf die Schulter an dem inneren axialen Ende 35 des rohrförmigen Körpers 36 aufgebracht.
Offensichtlich werden Fachleuten angesichts der hier enthaltenen Lehren zahlreichen Abwandlungen und Variationen des beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels einfallen. Dementsprechend ist ausdrücklich zu verstehen, dass diese Abwandlungen und Variationen und ihre Äquivalente als innerhalb des Bereichs der Erfindung wie durch die folgenden Ansprüche definiert zu betrachten sind.

Claims

Endstück (34), welches mit dem Ende eines leitenden Metallrohrs (32) verbunden ist, indem das Rohrende elektromagnetisch um das Endstück geformt wird, wobei das Endstück (34) umfasst: einen röhrenförmigen Körper (36) mit einer longitudinalen Achse (37) und einer Drehmomentkupplung (38) an einem axialen Ende des röhrenförmigen Körpers, wobei das Endstück (34) umfasst: einen Mittelabschnitt (37) des röhrenförmigen Körpers mit einem Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu der longitudinalen Achse, welcher annähernd die Form eines regelmäßigen Polygons mit einer Abfolge von Abflachungen (56), welche umfangsmäßig um den Mittelabschnitt beabstandet sind, und eine zwischen jeder der Abflachungen auf dem Mittelabschnitt des röhrenförmigen Körpers umfangsmäßig beabstandete Ecke, aufweist, wobei jede dieser Ecken einen Winkel größer als 90° bildet, wobei der röhrenförmige Körper in einem mittleren Gebiet der Abflachungen eine Wandstärke aufweist und eine langgestreckte Vertiefung (66) in jeder der Abflachungen, welche sich parallel zu der longitudinalen Achse erstreckt und dimensioniert ist, eine wesentliche Einkrümmung des Rohrs in die Vertiefung aufzunehmen, wenn das Rohr elektromagnetisch auf das Endstück geformt wird, um ein Zurückspringen des Metallrohrs aufzunehmen und das Metallrohr daran zu hindern, von den Abflachungen weg zurückzugehen, wobei jede Vertiefung einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zu der longitudinalen Achse aufweist, wobei jede Vertiefung länger als 65% der Länge des Mittelabschnittes des röhrenförmigen Körpers ist und tiefer als 15% der Breite der Abflachungen ist, und wobei jede Vertiefung eine Tiefe zwischen 20% und 75% der Wandstärke in dem mittleren Gebiet der Abflachungen aufweist, wodurch das Metallrohr um die Ecken angepasst wird.
Endstück nach Anspruch 1, wobei jedes Ende des röhrenförmigen Körpers einen zylindrischen Abschnitt mit einem Krümmungsradius aufweist, welcher etwa gleich einem um das regelmäßige Polygon gezogenen Kreis ist.
Endstück nach Anspruch 1 oder 2, wobei die umfangsmäßig beabstandeten Ecken zwischen den Abflachungen auf dem Mittelabschnitt des röhrenförmigen Körpers mit etwa demselben Krümmungsradius wie der Krümmungsradius des um das regelmäßige Polygon gezogenen Kreises abgerundet sind.
Endstück nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: eine Stufe (68) zwischen einem der zylindrischen Abschnitte und der Drehmomentkupplung, welche eine Schulter (70) bereitstellt, welche einem axialen Ende des Rohrs zugewandt ist und einen Zwischenraum dazwischen bildet, in welchen ein Dichtmittel aufgebracht und gehalten wird, um ein Eindringen von Feuchtigkeit zwischen dem Rohr und dem Endstück zu verhindern.
Verfahren zum Übertragen eines Drehmoments von einem Antrieb an einem Ende eines Drehmomentrohrs auf ein angetriebenes Gerät an dem anderen Ende des Drehmomentsrohrs, wobei das Drehmomentrohr das mit dem Endstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4 verbundene leitende Metallrohr ist, wobei das Verfahren umfasst: in Eingriff bringen der Drehmomentkupplung auf dem Endstück mit dem Antrieb, um ein Drehmoment von dem Antrieb aufzunehmen und das Endstück anzutreiben, Übertragen des Drehmoments von der Drehmomentkupplung auf den röhrenförmigen Körper des Endstücks, Übertragen des Drehmoments von dem röhrenförmigen Körper auf das an einem Ende hiervon um den röhrenförmigen Körper durch elektromagnetisches Pulsformen ausgebildete leitende Metallrohr, wobei das Rohr eng um Ecken an Schnittlinien der flachen Flächen des röhrenförmigen Körpers angepasst ist und zumindest teilweise in die Vertiefungen hineinragt, Übertragen des Drehmoments durch das Rohr auf ein gegenüberliegendes Ende hiervon und auf ein ähnliches Endstück, welches an dem gegenüberliegenden Ende durch elektromagnetisches Pulsformen angebracht ist, und in Eingriff bringen einer Drehmomentkupplung an dem ähnlichen Endstück mit dem angetriebenen Gerät, um ein Drehmoment von dem Drehmomentrohr zu liefern und somit das angetriebene Gerät anzutreiben.
Verfahren zum Formen eines leitenden Metallrohrs auf ein Endstück, um ein mit einem Ende eines leitenden Metallrohrs verbundenen Endstück gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 bereitzustellen, umfassend: Einsetzen des Endstücks in ein Ende des Rohrs, Erzeugen eines ersten starken transienten magnetischen Feldes in einer Spule über dem röhrenförmigen Körper des Stücks, wobei äußere und innere axiale Kanten des magnetischen Feldes über Endabschnitten des Mittelabschnitts des röhrenförmigen Körpers an beiden axialen Enden des Mittelabschnitts des Endstücks liegen, Formen eines Abschnitts des Metallrohrs um und gegen das Stück mit elektromagnetischen radialen Kräften auf das Rohr, wodurch das Metallrohr um Ecken der Polygonform des Querschnitts des Mittelabschnitts (37) des Endstücks (34) angepasst wird und das Metallrohr teilweise in die Vertiefungen geformt wird, um ein Zurückspringen des Metallrohrs aufzunehmen und das Metallrohr daran zu hindern, von den Flächen der Polygonform zurückzugehen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der röhrenförmige Körper mit dem Metallrohr zur Drehmomentübertragung verbunden ist, und die Drehmomentkupplung an einem Ende des röhrenförmigen Körpers zur Kopplung mit einem Treiber eines Antriebsgeräts ausgelegt ist, wobei das erste starke transiente magnetische Feld schnell anwachsende umfangsmäßige Wirbelströme in dem einen Ende des Metallrohrs induziert, wobei das zweite schnell ansteigende transiente magnetische Feld mit den Wirbelströmen in dem einen Ende des Rohrs erzeugt wird, wobei das zweite transiente Magnetfeld eine zu dem ersten transienten Magnetfeld entgegengesetzte Richtung aufweist, wobei gleiche und entgegengesetztgerichtete radiale Kräfte auf den Feldkonzentrator und das eine Ende des Metallrohrs erzeugt werden, und der Feldkonzentrator gegen seine radiale Deformation unter Einfluss der radialen Kräfte gehalten und radial gestützt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Metallrohr aus 2024 Aluminium in einem T-3 Zustand während des Formschrittes gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, umfassend: Stützen und Klemmen des Rohrs auf eine Trägeranordnung und Positionieren und Befestigen des Endstücks in einer gewünschten Position relativ zu dem Rohrende, Bewegen des Rohrs und des Endstücks in der eingeklemmten Position auf der Trägeranordnung, um das Rohrende und das Endstück in einer Öffnung einer stationären Spule anzuordnen oder um ein erstes starkes transientes Magnetfeld axial entlang dem einen Ende des Metallrohrs, wodurch schnell anwachsende umfangsmäßige Wirbelströme in dem einen Ende des Metallrohrs erzeugt werden, zu erzeugen, und um ein zweites schnell anwachsendes transientes Magnetfeld mit den Wirbelströmen in dem einen Ende des Rohrs zu erzeugen, wobei das zweite transiente Magnetfeld eine zu dem ersten transienten Magnetfeld entgegengesetzte Richtung aufweist, Erzeugen gleicher und entgegengesetzt gerichteter radialer Kräfte auf die Spule und das eine Ende des Metallrohrs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiterhin umfassend: Positionieren des Rohrendes und des Endstücks in der Spulenöffnung mit dem ersten magnetischen Feld über einen röhrenförmigen Hauptkörper des Endstücks derart, dass äußere und innere axiale Kanten des magnetischen Feldes über zylindrischen Abschnitten des röhrenförmigen Hauptkörpers liegen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Haltens umfasst: Positionieren der Spule in einer stabilen strukturellen tragenden Einhüllung, und Positionieren eines Feldkonzentrators in einer Öffnung in der Einhüllung von dieser isoliert mit einem kleinen Zwischenraum zwischen dem Feldkonzentrator und der Öffnung, und Halten des Feldkonzentrators mit Umfangswänden der Öffnung.
Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentrohrs, umfassend: Schneiden eines leitenden Metallrohrs auf eine für das Drehmomentrohr gewünschte Länge, axiales Einsetzen des röhrenförmigen Körpers des Endstücks gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in ein Ende des Metallrohrs, Formen des Metallrohrs auf den röhrenförmigen Hauptkörper des Endstücks, um eine steife, drehmomentübertragende Kupplung zwischen dem Endstück und dem Metallrohr herzustellen und um ein mit einem Ende eines leitenden Metallrohrs verbundenes Endstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: Wärmebehandeln des Drehmomentrohrs nach dem Formschritt, um eine Korrosionsspannungsbeständigkeit des Metallrohrs zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin umfassend: Aufbringen eines Dichtmittels um das Ende des Rohrs und um das andere Ende des Endstücks, um gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit in Schnittstellenräume zwischen den inneren Oberflächen des Rohrs und dem Endstück abzudichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei ein Feldkonzentrator einen T-förmigen Querschnitt in einer Ebene, in welcher die longitudinale Achse liegt, aufweist.
Vorrichtung (100) zum Formen eines Rohrs auf ein in das Rohr (32) eingesetztes Endstück (34), umfassend: eine Hauptspule (104) zum Erzeugen eines ersten starken transienten magnetischen Feldes axial entlang einem Ende des Rohres und damit zum Erzeugen schnell anwachsender umfangsmäßiger Wirbelströme in dem einen Ende des Rohrs (32), und zum Erzeugen eines zweiten schnell anwachsenden transienten magnetischen Feldes, wobei das transiente magnetische Feld eine entgegengesetzte Richtung zu dem ersten transienten magnetischen Feld aufweist, und damit zum Erzeugen gleicher und entgegengesetzt gerichteter radialer Kräfte auf die Spule (104) und das eine Ende des Metallrohrs (32), eine Struktur zum Halten und radialen Stützen der Hauptspule (104) gegen radiale Deformation unter Einfluss der radialen Kräfte, ein Rohrklemm- und -transportsystem (102) zum Klemmen des Rohrs (32) auf eine Mittellinie der Hauptspule (104) und zum Bewegen des Rohrendes und des Endstücks (34) in die Spule (104) zum elektromagnetischen Pulsformen des Rohrendes auf das Endstück (34).