DE69923321T2

DE69923321T2 - Matrize und verfahren zum hydroformen von rohren

Info

Publication number: DE69923321T2
Application number: DE69923321T
Authority: DE
Inventors: H. James BROWN; A. Gary WEBB
Original assignee: Aquaform Inc
Current assignee: Aquaform Inc
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: AU760725B2; CA2338262C; JP2002521200A; CA2338262A1; AU5118699A; DE69923321D1; KR20010071007A; EP1098721A2; EP1098721B1; US6164108A; ES2232155T3; PL350727A1; WO2000005006A3; KR100518994B1; PL190687B1; WO2000005006A2; BR9912276A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Kaltformens von röhrenförmigen Materialien und insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Hydroformen eines Rohrformstücks aus einem Rohrrohling.
Hintergrund der Erfindung
DE 27 02 890 offenbart eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Aufweitung röhrenförmiger Körper. Die offenbarte Vorrichtung umfasst insbesondere getrennte und speziell ausgebildete Formhohlräume, in denen ein unter Druck stehendes Fluid eingesetzt wird. Die Vorrichtung umfasst eine untere Platte mit Führungsteilen für die Teile der separaten Teile der Form, die den Formhohlraum bilden. Nach dem Ausbilden des Hohlraums wird die Röhre in diesen eingeführt. Eine obere Platte umfasst einen Ring zum Schließen der Teile der getrennten Form sowie einen Kolben. Ein unter Druck stehendes Fluid kann über die getrennte Form in den Formhohlraum eingeleitet werden.
In der Industrie ist es erforderlich, Standard-Rohrrohlinge in röhrenartige Formen aus einem Stück zu bringen. Die allgemeinen Vorgänge des Biegens, Dehnens, Eindrückens und radialen Aufweitens eines Rohrrohlings mit oder ohne einen Dorn sind bekannt. Einige Metalle und Legierungen werden mit einem Hydroformprozess in komplette röhrenartige Formen gebracht. Der Hydroformprozess macht mehrere Schritte erforderlich, um die gewünschte röhrenartige Form auszubilden, wie dies beispielsweise im US-Patent Nr. 6,006,567, eingereicht am 15. Mai 1997 und dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung abgetreten, ersichtlich ist. Im Allgemeinen wird eine Röhre bzw. ein Werkstück zwischen einem Paar Werkzeuge angeordnet, die Hohlräume haben, die die gewünschte resultierende Form der Röhre definieren. Die Werkzeuge kommen zusammen, und die Enden des Werkstücks werden mit einem Paar Dichteinheiten abgedichtet. Das Werkstück wird mit Fluid gefüllt, das dann unter Druck gesetzt wird. Wenn das Fluid in dem Werkstück unter Druck gesetzt wird, führt dies dazu, dass sich das Werkstück ausdehnt und an die Form des Hohlraums anpasst. Das Fluid wird aus dem Werkstück abgelassen, und die Dichteinheiten werden entfernt, um das Werkstück freizugeben. Das Hauptproblem bei diesem Prozess besteht darin, dass Hydroformpressen außerordentlich teuer sind. Eine einzelne Hydroformpresse kann annähernd drei Millionen Dollar kosten.
Da mechanische oder hydraulische Pressen weit verbreitet sind und in vielen Werken seit Jahren eingesetzt werden, sind Versuche unternommen worden, diese Pressen so abzuwandeln, dass sie den oben beschriebenen Hydroformvorgang ausführen. Das Problem bei bisherigen Versuchen, Hydroformvorgänge auf mechanischen oder hydraulischen Pressen durchzuführen, besteht darin, dass verschiedene zusätzliche Anlagenteile erforderlich sind, damit der Hydroformvorgang gelingt. Zu derartigen Einrichtungen gehören beispielsweise externe Wassereinheiten, externe Hydraulikeinrichtungen und zusätzliche Verbindungsstücke, Schläuche und Ventile. Dadurch erhöhen sich die Kosten, und die Zuverlässigkeit des Hydroformvorgangs verringert sich.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einige der zusätzlichen Einrichtungen überflüssig zu machen, die erforderlich sind, um einen Hydroformvorgang durchzuführen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Formen eines Rohrformstücks aus einem Rohrrohling mit einem Innenraum geschaffen. Die Vorrichtung enthält eine rechte Werkzeugplatte, eine linke Werkzeugplatte, eine untere Werkzeugplatte sowie eine obere Werkzeugplatte. Die rechte Werkzeugplatte hat einen ersten Hohlraum, der den Rohrrohling aufnehmen kann. Die linke Werkzeugplatte hat einen zweiten Hohlraum, der mit dem ersten Hohlraum fluchtend ist. Die rechte Werkzeugplatte hat eine erste Führungsstütze, und die linke Werkzeugplatte hat eine zweite Führungsstütze. Der erste Hohlraum wird mit dem zweiten Hohlraum verbunden, um einen Formhohlraum auszubilden. Die untere Werkzeugplatte kann die rechte Werkzeugplatte und die linke Werkzeugplatte tragen. Die untere Werkzeugplatte enthält einen Anschluss, der eine Fluidleitung aufnehmen kann. Die obere Werkzeugplatte kann sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegen. Die obere Werkzeugplatte hat Führungslöcher, die die erste und die zweite Führungsstütze auf nehmen und die obere Werkzeugplatte auf die rechte Werkzeugplatte und die linke Werkzeugplatte ausrichten. Die Vorrichtung enthält des Weiteren eine Fluidzuführeinrichtung, die ein Fluid über die Fluidleitung in den Innenraum des Rohrrohlings leitet. Ein Kolben dient dazu, das Fluid in dem Rohrrohling unter Druck zu setzen, um das Rohr auszudehnen, so dass sich die Form des Rohrs an den Formhohlraum anpasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben stehenden und weitere Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine als Explosionsdarstellung ausgeführte Seitenansicht eines Werkzeugs gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Draufsicht auf eine Ausführung der oberen Werkzeugplatte der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Draufsicht auf eine Ausführung der rechten und der linken Werkzeugplatte der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Draufsicht auf eine Ausführung der unteren Werkzeugplatte der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine Schnittansicht der rechten Werkzeugplatte in 3 entlang der Linie 5-5 ist.
Obwohl verschiedene Abwandlungen und alternative Formen der Erfindung möglich sind, sind in den Zeichnungen spezielle Ausführungen als Beispiel dargestellt und werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Formen zu beschränken ist. Stattdessen soll die Erfindung alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die im Geist und Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sind, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung arbeitet eine Hydraulikpresse als eine Hydroformvorrichtung. Die Hydroformvorrichtung erzeugt ein Rohrformstück aus einem Rohrrohling. In einer Ausführung wird die Hydrokompressions-Rohrform-Werkzeugvorrichtung in einer Hydraulikpresse eingesetzt. Die Hydraulikpresse enthält eine Stößelpresse. Die Hydraulikpresse setzt einen Hydroformprozess um, mit dem der Rohrrohling in eine im Allgemeinen röhrenartige Form gebracht wird. Der Hydroformprozess macht es erforderlich, dass der Rohrrohling in einen Formhohlraum zwischen einer rechten und einer linken Werkzeugplatte, die zusammengeführt werden, eingeschlossen wird. Der Rohrrohling wird mit Fluid gefüllt. Ein Kolben befindet sich anfänglich in einer eingezogenen Position. Der Kolben wird in das Innere der Röhre bis an die dargestellte Tiefe abgesenkt, um das Fluid unter Druck zu setzen und den Rohrrohling in die Vertiefungen des Formhohlraums auszudehnen. So wird ein Rohrformstück ausgebildet, das eine Form hat, die sich an den Formhohlraum anpasst.
Die Hydroformvorrichtung, die in dem oben stehenden Prozess eingesetzt wird, enthält, wie in 1 dargestellt, ein Werkzeug 10 mit einer rechten Werkzeugplatte 16 (in 3 dargestellt), einer linken Werkzeugplatte 18, einer unteren Werkzeugplatte 12 und einer oberen Werkzeugplatte 14. Die obere Werkzeugplatte 14 ist an einer Stößelpresse angebracht. Die untere Werkzeugplatte 12 ist über Bolzenlöcher 50 (in 4 dargestellt) an einer stationären Grundplatte angebracht.
Ein Rohrformstück wird, wie unter Bezugnahme auf 5 zu sehen ist, ausgebildet, indem der Rohrrohling mit dem offenen Ende nach oben auf eine Rohrpositioniereinrichtung 24 aufgesetzt wird, die in einem ersten Hohlraum 22 in der rechten Werkzeugplatte 16 enthalten ist. Die linke Werkzeugplatte 18 enthält einen zweiten Hohlraum. Der erste Hohlraum 22 wird auf den zweiten Hohlraum ausgerichtet, um einen Formhohlraum 26 auszubilden. Der Formhohlraum 26 stellt die gewünschte Querschnittsform des geformten Rohrs dar.
Die untere Werkzeugplatte 12 trägt die rechte und die linke Werkzeugplatte 16 und 18. Wenn der Hydroformprozess beginnt, befindet sich die obere Werkzeugplatte 14 in einer ersten Position, die gegenüber dem oberen Ende 28 der rechten und der linken Werkzeugplatte 16 und 18 verschoben ist. Dann bewegt die Stößelpresse die obere Werkzeugplatte 14 aus der ersten Position an eine zweite Position an das obere Ende 28 angrenzend, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Stößelpresse bewegt die obere Werkzeugplatte 14 mit einer ersten Bewegungseinrichtung, so beispielsweise mit Hydraulikzylinderanordnungen und Motor-und-Spindel-Kombinationen. Die rechte Werkzeugplatte 16 enthält eine erste Führungsstütze 34, und die linke Werkzeugplatte 18 enthält eine zweite Führungsstütze 36. Die obere Werkzeugplatte 14 hat, wie in 2 dargestellt, ein entsprechendes erstes und zweites Führungsloch 38 und 40, die die erste Führungsstütze 34 bzw. die zweite Führungsstütze 36 aufnehmen und die obere Werkzeugplatte 14 auf die rechte und die linke Werkzeugplatte 16 und 18 ausrichten. Durch das Absenken der oberen Werkzeugplatte 14 werden die rechte und die linke Werkzeugplatte 16 und 18 in eine abgedichtete Position gedrückt.
Die rechte Werkzeugplatte 16 enthält, wie wiederum aus 5 zu ersehen ist, eine Rohr-Positioniereinrichtung 24 mit einer Leitung 25 darin, die Fluid aufnehmen und ableiten kann. Die untere Werkzeugplatte 12 enthält, wie in 4 dargestellt, ebenfalls eine Leitung 25, die mit einem Anschluss 42 verbunden ist, der ein angrenzendes Element, wie beispielsweise eine Fluidleitung, einen Druckmesser usw., aufnehmen kann. Eine Fluidabgabeeinrichtung, wie beispielsweise eine Hydraulikpumpe, gibt Fluid über die Leitung 25 in den Innenraum des Rohrrohlings ab, der in dem Formhohlraum 26 angeordnet ist, wie dies in 5 dargestellt ist. Fixierstifte 46, 48 sind teilweise in der rechten bzw. ersten Werkzeugplatte 16 und teilweise in der linken bzw. zweiten Werkzeugplatte angeordnet, wie dies in 3 und 5 dargestellt ist. Die Leitung 25 steht in Fluidverbindung mit der Fluidleitung, die das Fluid bereitstellt. Ein Kolben 32 dient dazu, das Fluid in dem Rohrrohling unter Druck zu setzen. Das unter Druck stehende Fluid dehnt das Rohr so aus, dass es sich an den Formhohlraum 26 anpasst, um so das Rohrformstück auszubilden.
Der Druck des Fluids in dem Rohr wird erhöht, indem der Kolben 32 durch ein Kolbenloch 41, wie es in 3 und 5 dargestellt ist, in das Innere der Röhre bis in eine Tiefe abgesenkt wird, die in 5 dargestellt ist. Die Stößelpresse enthält eine zweite Bewegungseinrichtung, die den Kolben 32 in das fluidgefüllte Rohr absenkt und damit den Druck in dem Rohr erhöht. Zu derartigen Bewegungseinrichtung können beispielsweise Hydraulikzylinderanordnungen sowie Motor-und-Spindel-Kombinationen gehören.
Der dadurch entstehende Druck in dem Rohr ist hoch genug, um das Rohr so auszudehnen, dass es die Vertiefungen des Formhohlraums 26 ausfüllt. Dieser Druck hängt von dem Material des Rohrrohlings und der Strecke D ab, um die der Kolben in das Rohr eingeführt wird. Dieser Druck ist höher als der Fließgrenzendruck, der das Rohr in die Vertiefungen des Formhohlraums ausdehnen würde, und geringer als der Fließgrenzendruck der Werkzeugplatten. Im normalen Betrieb ist der Druck höher als 589,48 × 10⁵ Pa (10.000 pounds per square inch). Der Druck kann beispielsweise bis zu 6894,75 × 10⁵ Pa (100.000 pounds per square inch) betragen, solange die Werkzeugplatten nicht getrennt werden. Der normale Druckbereich liegt zwischen 3447,39 × 10⁵ Pa (50.000) und 6894,75 × 10⁵ Pa (100.000 pounds per square inch).
Indem der Druck des Fluids in dem Rohr erhöht wird, dehnt sich das Rohr in die Vertiefungen des Formhohlraums 26 hinein aus. Nachdem das Rohr ausgedehnt worden ist, wird der Druck auf das Fluid abgesenkt, indem der Kolben 32 eingezogen wird und das Fluid über die Leitung 25 in der Rohr-Positioniereinrichtung 24 aus dem geformten Rohr abgelassen wird. Die obere Werkzeugplatte 14 wird dann angehoben, so dass das geformte Rohr aus der rechten und der linken Werkzeugplatte 16 und 18 entnommen werden kann. Das geformte Rohr kann mit Hilfe von Hebeeinrichtungen entnommen werden.

Claims

Vorrichtung zum Formen eines Rohrformstücks aus einem Rohrrohling mit einem Innenraum, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste Werkzeugplatte (16) mit einem ersten Hohlraum (22), der den ersten Rohrrohling aufnehmen kann; eine zweite Werkzeugplatte (18) mit einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten Hohlraum (22) fluchtend ist, wobei der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum so ausgeführt sind, dass sie verbunden werden, um einen Formhohlraum (26) zu bilden; eine untere Werkzeugplatte (12), die die erste Werkzeugplatte (16) und die zweite Werkzeugplatte (18) tragen kann; eine obere Werkzeugplatte (14), die sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegen kann; eine Fluidzuführeinrichtung, die ein Fluid in den Innenraum des Rohrrohlings leitet; einen Kolben (32), der in dem Innenraum des Rohrrohlings verschoben wird, um das Fluid in dem Rohrrohling unter Druck zu setzen und so das Rohr so auszudehnen, dass es sich an den Formhohlraum (26) anpasst; dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Werkzeugplatte (16) eine erste Führungsstütze (34) hat; die zweite Formplatte eine zweite Führungsstütze (36) hat; die untere Werkzeugplatte (12) einen Anschluss hat, der eine Fluidleitung aufnehmen kann; die obere Werkzeugplate (14) ein erstes (38) und ein zweites (40) Führungsloch zum Aufnehmen der ersten (34) und der zweiten (36) Führungsstütze und zum Fluchten der oberen Werkzeugplatte (14) mit der ersten Werkzeugplatte (16) sowie der zweiten Werkzeugplatte (18) hat; die Fluidzuführeinrichtung das Fluid über die Fluidleitung in den Innenraum des Rohrrohlings leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidzuführeinrichtung eine Hydraulikpumpe enthält.
Verfahren zum Formen eines Rohrformstücks aus einem Rohrrohling mit einem Innenraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer ersten Werkzeugplatte (16) mit einem ersten Hohlraum (22), wobei die erste Werkzeugplatte (16) eine erste Führungsstütze (34) hat; Positionieren des Rohrrohlings in dem ersten Hohlraum (22): Bereitstellen einer zweiten Werkzeugplatte (18) mit einem zweiten Hohlraum, wobei die zweite Werkzeugplatte (18) eine zweite Führungsstütze (36) hat; Fluchten des zweiten Hohlraums und des ersten Hohlraums (21), um einen Formhohlraum (26) herzustellen; Tragen der ersten Werkzeugplatte (16) und der zweiten Werkzeugplatte (18) mit einer unteren Werkzeugplatte (12), wobei die untere Werkzeugplatte (12) eine Leitung (25) hat; Bereitstellen einer oberen Werkzeugplatte (14), die sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegen kann, wobei die obere Werkzeugplatte (14) ein erstes (38) und ein zweites (40) Führungsloch hat; Fluchten der ersten (34) sowie der zweiten (36) Führungsstütze und des ersten (38) bzw. des zweiten (40) Führungslochs; Bewegen der oberen Werkzeugplatte (14) von der ersten Position an die zweite Position, so dass das erste (38) und das zweite (40) Führungsloch die erste (34) bzw. die zweite (36) Führungsstütze aufnehmen können; Leiten eines Fluids in den Innenraum des Rohrrohlings über die Leitung (25); und Bewegen eines Kolbens (32) in den Innenraum des Rohrrohlings, um das Fluid unter Druck zu setzen und das Rohr auszudehnen, so dass es sich an den Formhohlraum (26) anpasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren wenigstens einen Fixierstift umfasst, wobei sich der Fixierstift teilweise in der ersten Werkzeugplatte (16) befindet und teilweise in der zweiten Werkzeugplatte (18) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die obere Werkzeugplatte (14) an einer Stößelpresse angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere Werkzeugplatte an einer stationären Grundplatte angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Formhohlraum (26) die gewünschte Querschnittsform des geformten Rohrs hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Stößelpresse die obere Werkzeugplatte (14) mit einer Hydraulikzylinderbaugruppe bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Stößelpresse die obere Werkzeugplatte (14) mit einer Kombination aus Motor und Spindel bewegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Leitung (25) mit einem Anschluss verbunden ist, der ein angrenzendes Element aufnehmen kann.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das angrenzende Element eine Fluidleitung ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das angrenzende Element ein Druckmesser ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Fluid zwischen ungefähr 689,48 × 10⁵ Pa (10000 pounds per square inch) und ungefähr 6894,75 × 10⁵ Pa (100000 pounds per square inch) unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fluid zwischen ungefähr 3447,38 × 10⁵ Pa (50000 pounds per square inch) und ungefähr 6849,75 × 10⁵ Pa (100000 pounds per square inch) unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, das des Weiteren nach dem Schritt des Bewegens eines Kolbens den Schritt des Einziehens des Kolbens (32) umfasst, um das Fluid abzuleiten und den Druck des Fluids zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren nach dem Schritt des Einziehens des Kolbens den Schritt des Anhebens der oberen Werkzeugplatte (14) umfasst.