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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Rotationshohlkörpers, der über wenigstens einen Teil seiner
Länge eine
sich gleichmäßig verändernde
Dicke aufweist, durch Fließdrehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung
jedes Rotationshohlkörpers
verwendet werden, dessen Dicke sich über wenigstens einen Teil seiner
Länge gleichmäßig verändert, und
dessen mechanische Festigkeitseigenschaften gleichmäßig und
homogen sein müssen.
Als nicht beschränkende Beispiele
ist dieses Verfahren anwendbar bei der Herstellung von Strukturelementen
wie z. B. Hänge- oder
Torsionsstangen bzw. -glieder mit hoher mechanischer Festigkeit,
Fluidbehälter,
Hochdruckspeicher etc., die insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie
einsetzbar sind.
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Stand der Technik
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Die Fließdrehtechnik wird gegenwärtig zur Herstellung
von Rotationshohlkörpern
aus Metall oder einer Metalllegierung eingesetzt, die eine verhältnismäßig große Länge und
eine verhältnismäßig dünne Wandstärke aufweisen.
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Gemäß dieser Technik stellt man
beispielsweise durch Schmieden eine hohle zylindrische Vorform her,
in der das Materialvolumen gleich jenem des herzustellenden Körpers ist,
die jedoch viel kürzer
und viel dicker als dieser letztgenannte ist. Die Vorform wird auf
einen Dorn gesetzt, dessen Umfang dem Innenprofil des herzustellenden
Körpers
entspricht, und sie wird im Verlauf eines oder mehrerer Arbeitsschritte
mittels wenigstens einer Walze auf einer Fließdrehmaschine verformt. Genauer
gesagt bewirkt die Rotation der Vorform kombiniert mit der Längs-Vorwärtsbewegung
der Walzen eine Verringerung der Vorformdicke und eine Vergrößerung ihrer Länge, und
zwar durch den Fluss des Metalls auf dem Dorn.
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Der Einsatz der Fließdrehtechnik
drückt
sich in einem Faserziehen und einer Kaltverfestigung des Metalls
aus. Das Ausmaß dieser
Kaltverfestigung wird direkt durch einen als "Reduktionsrate" bezeichneten
Faktor bedingt, der dem Verhältnis
zwischen der Anfangsdicke der Vorform und der Enddicke des fließgedrehten
Körpers
entspricht.
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Wie insbesondere die Dokumente FR-A-2 668
085, EP-A-O 410 884 und FR-A-2 632 551 erläutern, wird die Fließdrehtechnik
im Allgemeinen zur Herstellung von Fluidbehältern, Speichern, Gasgeneratoren
oder Hochdruckflaschen mit Metallstruktur verwendet. Derartige Körper weisen
stets einen oder mehrere Abschnitte auf, die perfekt zylindrisch
sind, jedoch unterschiedliche Dicken haben, einen oder zwei halbkugelförmige Böden sowie
Flansche. Die halbkugelförmigen
Böden und
die Flansche werden durch Bearbeitung während der Herstellung der Vorform
erhalten, oder durch Schweißen
angefügt.
In beiden Fällen
wird das Fließdrehen
eingesetzt, um den/die zylindrischen Abschnitte) mit verschiedenen Dicken
ausgehend von einer Vorform konstanter Dicke zu erhalten. Folglich
variiert die Reduktionsrate des fließgedrehten Teils des Körpers gemäß den verschiedenen
Dicken desselben. Somit ist auch die Kaltverfestigung des Metalls
von einem Ende zum anderen des fließgedrehten Abschnitts variabel,
was sich in heterogenen mechanischen Eigenschaften des erhaltenen
Körpers
ausdrückt.
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Andererseits ist es bekannt, zylindrische Hohlkörper wie
z. B. Behälter
oder Triebwerke durch Rollformen und Schweißen von Blechen gleichmäßiger Dicke
herzustellen. Allerdings ist diese Herstellungstechnik technisch
komplizierter und langwieriger einzusetzen als die Fließdrehtechnik.
Auf die Schweißarbeiten
müssen
nämlich
röntgenographische
Kontrollen folgen, die später
durch. eine Bearbeitungsfolge vervollständigt werden. Zudem erlaubt die
Verwendung von Blechen gleichmäßiger Dicke nicht
die Optimierung der Masse, des Profils und der Kosten des erhaltenen
Körpers.
Ferner werden längliche
Hohlkörper
wie z. B. metallische Torsions- oder Aufhängungsstangen im Allgemeinen
bislang durch Schmieden und Bearbeiten eines Rohrs hergestellt, an
dessen Enden zwei getrennt bearbeitete Kappen angeschweißt werden.
Diese Technik hat den Nachteil, die Bereitstellung von Rohren mit
der gleichen Länge
wie die Stangen zu erfordern, was zur Folge hat, dass das den Körper bildende
Metall weder kaltverfestigt wird noch irgendein Faserziehen erfährt. Zudem
sind zwei Schweißungen
zur Erlangung des Körpers
erforderlich. Ferner werden die Kappen nach der Kontrolle und dem
Schweißen
an den Rohrenden bearbeitet. Schließlich erlaubt die Verwendung
von Rohren mit gleichmäßiger Dicke
die Optimierung der Masse und des Profils nur unter der Bedingung,
dass man eine langwierige und kostspielige Bearbeitung durchführt.
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Das Dokument DE-A-3 440 630 beschreibt die
Fließdrehherstellung
eines Gehäuses
mit gleichmäßiger Dicke
und sich verändernder
Härte in
zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten.
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Das Dokument US-A-3 055 327 beschreibt die
Flachprägeherstellung
einer konischen Schale mit sich verändernder Dicke ausgehend von
einem scheibenförmigen
Vorformling.
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Schließlich beschreibt das Dokument US-A-1
966 713 die Herstellung eines tonnenförmigen Behälters durch Rand-an-Rand-Zusammenbau von
Elementen, die zuvor durch Fließdrehen
hergestellt wurden.
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Erläuterung
der Erfindung
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Hauptaufgabe der Erfindung ist ein
Verfahren zur Herstellung eines Rotationshohlkörpers mit sich verändernder
Dicke, dessen mechanische Eigenschaften über seine gesamte Länge homogen und
optimal sind, und zwar im Gegensatz zu durch bekannte Techniken
hergestellten Körpern
bei optimierter Masse, Profil und Kosten.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ergebnis durch
ein Verfahren zur Herstellung eines Rotationshohlkörpers mit
sich verändernder
Dicke erzielt, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte
aufweist:
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- – Anfertigen
einer bezüglich
des herzustellenden Körpers
verhältnismäßig kurzen
und dicken Vorform, wobei diese Vorform über wenigstens einen Teil ihrer
Länge eine
sieh verändernde
Dicke aufweist, derart, dass die Dicke jedes Elementarabschnitts
dieses Teils der Vorform im Wesentlichen gleich der Dicke eines
entsprechenden Elementarabschnitts des herzustellenden Körpers multipliziert
mit einem konstanten Koeffizienten ist; und
- – Reduzieren
der Dicke der Vorform wenigstens über den Teil ihrer Länge durch
Fließdrehen
gemäß einer
gleichmäßigen Reduktionsrate,
die gleich dem Inversen des Koeffizienten ist.
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Wenn der herzustellende Körper an
jedem seiner Enden einen Boden umfasst, stellt man vorteilhafterweise
zwei Vorformen her, die jeweils einen Rohrteil mit sich verändernder
Dicke sowie einen Boden umfassen, der diesen Teil an einem Ende
abschließt.
Dann reduziert man durch Fließdrehen
die Dicke des Rohrteils jeder der Vorformen, dann schweißt man die
Rohrteile an ihren den Böden
entgegengesetzten Enden Ende an Ende zusammen. Man beachte, dass
der Ausdruck "Rohrteil" in gleicher Weise ein zylindrisches Teil,
ein konisches Teil oder ein Rotationsteil komplizierterer Form bezeichnet,
dessen Mantellinie wenigstens teilweise einwärts gekrümmt ist.
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Zur Herstellung eines zwei Böden umfassenden
Körpers
verwendet man vorzugsweise zwei identische Vorformen.
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In einer bevorzugten, jedoch nicht
beschränkenden
Ausführungsform
der Erfindung verwendet man zwei Vorformen, die jeweils einen Rohrteil
umfassen, dessen Dicke zum Boden hin gleichmäßig abnimmt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nun wird als nicht beschränkendes
Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden,
in denen:
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– 1 eine Längsschnittansicht ist, die
eine Vorform darstellt, deren Herstellung den ersten Schritt des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bildet, wobei diese Vorform für
die Herstellung einer Aufhängestange
bestimmt ist;
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– 2 eine Längsschnittansicht ist, die
auf kleinerer Skala den ausgehend von der Vorform der 1 erhaltenen Körper darstellt,
und zwar nachdem er eine Fließdrehmaschine
durchlaufen hat; und
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– 3 eine den 1 und 2 vergleichbare Längsschnittansicht
ist, die auf noch kleinerer Skala die Aufhängestange zeigt, die erhalten
wird, indem man zwei identische Körper, wie sie in 2 gezeigt sind, Ende an
Ende verschweißt.
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Detaillierte
Erläuterung
einer bevorzugten Ausführungsform
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In 1 ist
eine Vorform 10 dargestellt, die zur späteren Herstellung einer Aufhängestange
bestimmt ist. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Anwendung nur
als Beispiel gegeben wird, und das erfindungsgemäße Verfahren immer dann verwendet werden
kann, wenn man einen metallischen Rotationshohlkörper herstellen möchte, der
eine verhältnismäßig geringe,
sich verändernde
Dicke sowie eine verglichen mit dieser Dicke große Länge aufweist. So kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch zur Herstellung insbesondere von Torsionsstäben, Behältern, Speichern, Gasgeneratoren,
Hochdruckflaschen etc. aus einem Metall wie z. B. Stahl, einem Leichtmetall
oder anderem eingesetzt werden.
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Die Vorform 10 wird gemäß klassischen Techniken
vor dem Fließdrehen
angefertigt, insbesondere durch Schmieden und anschließendes teilweises
oder vollständiges
Bearbeiten.
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Andere Anfertigungstechniken können jedoch
eingesetzt werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Die Vorform 10 umfasst im
Wesentlichen einen Rohrteil 12 sowie einen Boden 14,
der den Rohrteil 12 an einem seiner Enden abschließt. Die
Herstellung der Vorform 10 erfolgt derart, dass der Rohrteil 12 und
der Boden 14 einstückig
gefertigt sind.
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Die Form und die Abmessungen des
Bodens 14 der Vorform 10 sind identisch jenen
des Endes der Aufhängestange,
die man herstellen möchte.
Allgemeiner sind die Eigenschaften wie z. B. die Form und die Abmessungen
des Bodens der Vorform die gleichen wie jene des herzustellenden
Körpers.
Folglich hängen
diese Eigenschaften im Wesentlichen von der Natur des Körpers ab,
den man herstellen möchte.
Der Boden 14 kann daher von einem Körper zum anderen sehr unterschiedliche
Formen und Abmessungen aufweisen, ohne den Bereich der Endung zu verlassen.
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Erfindungsgemäß umfasst hingegen der Rohrteil 12 der
Vorform 10 sehr präzise
Charakteristika, die von jenen des Rohrteils des herzustellenden Körpers verschieden
sind, die jedoch direkt von den Eigenschaften dieses letztgenannten
Körpers
abhängen.
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Genauer gesagt weist der Rohrteil 12 der Vorform 10 eine
Länge L
auf, die bezüglich
jener des Rohrteils des herzustellenden Körpers verhältnismäßig kurz ist, sowie eine Dicke,
die sich von einem Ende zum anderen gleichmäßig verändert und größer als
jene des herzustellenden Körpers
ist. Der kürzere
und dickere Charakter des Rohrteils der Vorform 10 bezüglich des
Rohrteils des herzustellenden Körpers
ist eine übliche
Eigenschaft beim Einsatz der Fließdrehtechnik. Die sich gleichmäßig verändernde Dicke
dieses Rohrteils 12 der Vorform 10 hingegen stellt
eine erfindungsspezifische originelle Eigenschaft dar.
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Genauer gesagt nimmt in der in 1 dargestellten Ausführungsform
die Dicke des Rohrteils 12 der Vorform 10 gleichmäßig von
einem Wert e1 bis zu einem Wert e2 zu, wenn man
sich vom Boden 14 der Vorform entfernt. Die Dickenwerte
e1 und e2 werden als Funktion der Dicken des Rohrteils des herzustellenden
Körpers
genau bestimmt, damit die Dicke jedes Elementarabschnitts des Rohrteils 12 im
Wesentlichen gleich der Dicke eines entsprechenden Elementarabschnitts
des Rohrteils des herzustellenden Körpers multipliziert mit einem
konstanten Koeffizienten ist.
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Zudem ist in einer beim Einsatz der
Fließdrehtechnik
klassischen Weise der Innendurchmesser des Rohrteils 12 der
Vorform 10 identisch jenem des Rohrteils des herzustellenden
Körpers.
Bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel, das die Herstellung
eines Körpers
mit zylindrischem Rohrteil betrifft, ist dieser Innendurchmesser
von einem Ende des Rohrteils 12 zum anderen konstant.
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Als rein erläuterndes und keineswegs beschränkendes
Beispiel der Erfindung kann die Länge L ungefähr 150 mm betragen, wobei die
Dicken e1 und e2 dann ungefähr gleich 4,5 mm bzw. 7,5 mm sind.
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Die in 1 gezeigte
Vorform wird anschließend
einer Fließdrehoperation
unterworfen, die in einem oder mehreren Arbeitsschritten die Umwandlung
des Vorformlings 10 in einen Körper 16 erlaubt, wie
er in 2 gezeigt ist.
Der somit erhaltende Körper 16 umfasst
den Boden 14, dessen Form und Abmessungen bezüglich jenen
des Vorformlings unverändert
bleiben, sowie einen durch Fließdrehen
des Rohrteils 12 des Vorformlings erhaltenen Rohrteil 18.
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Der Rohrteil 18 des Körpers 16 weist
eine Länge
L' auf, die viel größer als
die Länge
L des Rohrteils 12 des Vorformlings ist, sowie eine Dicke, die
bezüglich
jener dieses Rohrteils 12 wesentlich reduziert ist.
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Genauer gesagt weist erfindungsgemäß der Rohrteil 18 des
Körpers 16 ebenfalls
eine Dicke auf, die sich von einem Ende zum anderen gleichmäßig verändert. Diese
sich gleichmäßig verändernde
Dicke des Rohrteils 18 des Körpers 16 wird während des
Fließdrehens
durch Reduzieren der Dicke des Rohrteils 12 der Vorform 10 von
einem Ende zum anderen dieses Rohrteils gemäß einer gleichmäßigen Reduktionsrate
erhalten. Diese gleichmäßige Reduktionsrate
ist gleich dem Inversen des Koeffizienten, der anfänglich dazu
gedient hat, die Dicke jedes Elementarabschnitts des Rohrteils 12 der
Vorform zu bestimmen, wobei man mit diesem Koeffizienten die Dicke
eines entsprechenden Elementarabschnitts des herzustellenden Körpers multipliziert.
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Dank dieser Eigenschaft wird es möglich, einen
Rotationshohlkörper
herzustellen, dessen Dicke sich kontinuierlich von einem Ende zum
anderen verändert,
und zwar in Übereinstimmung
mit den für
den Körper
geltenden mechanischen Festigkeitsanforderungen, ohne dass dieser
von einem Ende zum anderen heterogene mechanische Eigenschaften
aufweist. Da nämlich
die Reduktionsrate über
die gesamte Länge
des Rohrteils 18 des Körpers 16 gleichmäßig ist,
ist die durch das Fließdrehen
erzeugte Kaltverfestigung praktisch über die gesamte Länge des
Körpers
konstant, und die mechanischen Eigenschaften dieses letztgenannten
können
homogen und optimal werden.
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Bei dem vorstehend rein erläuternd angegebenen
Zahlenbeispiel kann der Rohrteil 18 des ausgehend von der
Vorform 10 nach dem Fließdrehen erhaltenen Körpers 16 insbesondere
eine Länge
L' von ungefähr
240 mm aufweisen, eine Dicke e'1 von ungefähr 1,5 mm
an seinem an den Boden 14 angrenzenden Ende, sowie eine
Dicke e'2 von ungefähr 2,5
mm an seinem offenen Ende. Die gleichmäßige Reduktionsrate beträgt in diesem
Fall 0,33.
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Wie in 3 gezeigt
können
zwei identische Körper 16 zur
Herstellung einer Aufhängestange 20 verwendet
werden. Die zwei Körper 16 werden
dann Ende an Ende entlang einer Schweißlinie 22 verschweißt, und
zwar an den offenen Enden ihrer Rohrteile 18.
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Man stellt somit einen Rotationshohlkörper her,
der an seinen zwei Enden durch die Böden 14 geschlossen
ist, und dessen Zylinderwand eine Dicke aufweist, die sich kontinuierlich
von einem Ende zum anderen verändert.
Genauer gesagt ist die Dicke dieser zylindrischen Wand in der Mitte
der Aufhängestange
größer als
in der Nähe
der Böden 14.
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Es ist somit möglich, ein Aufhängestange
mit einer einzigen Schweißung
herzustellen, aus einem Material mit homogenen Eigenschaften, mit
einer optimierten Dicke, um den speziellen zu erfüllenden
Anforderungen zu entsprechen, wie z. B. der Biege- oder Torsionsfestigkeit
im Fall einer Aufhängestange, bei
gleichzeitiger Minimierung der Materialmenge und folglich des Gewichts.
Zu diesen Vorteilen kommen eine hohe Reproduzierbarkeit, eine große Abmessungsgenauigkeit,
eine große
Einfachheit und eine hohe Flexibilität hinzu.
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Selbstverständlich finden sich diese Vorteile auch
bei der Herstellung anderer Rotationshohlkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
So verbessert in dem Fall, in dem der hergestellte Körper ein
einem Innendruck ausgesetzter Körper ist,
z. B. ein Fluidbehälter,
der sich verändernde
Dickencharakter der Wand wesentlich die Festigkeit gegenüber einem
Aufblähen
bei gleichzeitiger Minimierung des Gewichts der Struktur.