EP0417674A1 - Aufweitewerkzeug für hohle Werkstücke - Google Patents
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- EP0417674A1 EP0417674A1 EP90117329A EP90117329A EP0417674A1 EP 0417674 A1 EP0417674 A1 EP 0417674A1 EP 90117329 A EP90117329 A EP 90117329A EP 90117329 A EP90117329 A EP 90117329A EP 0417674 A1 EP0417674 A1 EP 0417674A1
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- European Patent Office
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- expanding
- expanding mandrel
- roller
- axis
- control body
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D41/00—Application of procedures in order to alter the diameter of tube ends
- B21D41/02—Enlarging
- B21D41/026—Enlarging by means of mandrels
Definitions
- the control body which can be produced as a stamped part from a steel plate or in one piece with the hand lever as a forged part and only requires minor finishing on the surfaces of the slot, is also an additional guide element of the expanding mandrel and also secures it against rotation. It goes without saying that the thickness of the control body corresponds at least in places to the clear distance between the side cheeks of the expanding mandrel.
- the ends of the arcuate slot form stops for limiting the pivoting angle of the pivotable hand lever, so that the arc angle of the slot is limited in a defined manner. This achieves two things: Firstly, one stop limits the approach of the hand levers to a minimum distance that prevents pinching, and secondly, the actuating force of the hand levers is defined at the end of the expansion process.
- control body is designed as a plate-shaped component and is inserted into a parallel-walled slot in the movable hand lever. This enables, for example, a construction in which the tool body and the two hand levers are made of a light metal alloy, but the control body is made of steel.
- the slot-shaped recess 10c has such a circumference with respect to the axis 7 that the base 10d of the recess 10c does not abut the tab 21 in any possible position of the hand lever 12.
- the control body 109 has a slot 114 which extends from one side to the other and runs in an arc around the pivot axis 108 and is delimited on one side by the first control cam 113 and on the opposite side by a second control cam 115.
- the clear width of the slot 114 corresponds at every point to the diameter of the roller 107 (plus a small amount of play), so that the roller 107 is enclosed in the slot 114 and positively guided in both directions of movement of the expanding mandrel, the control curve 113 the expanding process and the roller 107 engaging control curve 115 causes the forced retraction.
- the retraction device 126 is formed by a part of the control body 109 which carries the control curve 115.
Landscapes
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Aufweitewerkzeug für hohle, insbesondere hohlzylindrische Werkstücke mit einem Werkzeuggrundkörper mit einer Bohrung, einem in dieser axial verschiebbar gelagerten, aus der Bohrung mit einem äußeren verjüngten Ende herausragenden Spreizdorn, mit einem gleichfalls im Werkzeuggrundkörper gelagerten, auf den Spreizdorn über eine frei drehbare Rolle einwirkenden schwenkbaren Steuerkörper, der eine zur Bohrungsachse senkrechte Achse aufweist und mit einem Handhebel verbunden ist, durch den der Spreizdorn bei Hebelbetätigung um einen vorgegebenen Hub aus dem Grundkörper heraus gegen einen mit dem Grundkörper verbundenen Satz von radial beweglich geführten Spreizbacken verschiebbar ist.
- Derartige Aufweitewerkzeuge werden auch als "Expander" bezeichnet. Sie werden wie eine Zange bedient, d.h. dem schwenkbaren Handhebel ist ein zweiter, gleichlanger Handhebel zugeordnet, der starr mit dem Grundkörper verbunden ist. Expander dienen bevorzugt zum Aufweiten von Rohrleitungsenden um ein solches Maß, daß in den aufgeweiteten Bereich ein zweites, nicht aufgeweitetes Rohrende eingeführt und mit dem ersten Rohrende verlötet werden kann. Der Einsatz erfolgt sowohl auf Baustellen als auch in Werkstätten.
- Die Betätigungskräfte werden dabei durch die Übersetzungsverhältnisse im Antriebssystem des Spreizdorns, durch Reibungsverhältnisse zwischen sämtlichen beweglichen Teilen und - nicht zuletzt - durch das Fließverhalten des Werkstoffs der aufzuweitenden Werkstücke bestimmt. In Frage kommen hierbei Kunststoffrohre, dünnwandige Rohre aus Weichstahl, vornehmlich aber Kupferrohre, und zwar sowohl solche, die weichgeglüht sind, als auch sogenannte "harte" Kupferrohre. Der Einsatz erfolgt dabei vornehmlich im Rohrleitungsbau und dort wiederum im Sanitär- und Installationsbereich.
- Im Hinblick auf die ergonomischen Verhältnisse ist auch zu berücksichtigen, daß der Schwenkwinkel der beiden Handhebel zueinander unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse etwas mehr als 90 Grad beträgt. Da hierbei der eigentliche Krafthub verhältnismäßig früh einsetzt, haben die beiden Handhebel zu Beginn des Krafthubes eine verhältnismäßig ungünstige Stellung zueinander. Da der Grundkörper in der Regel nirgends abgestützt werden kann, können die wirksamen Betätigungskräfte immer nur parallel zur Achse des Spreizdorns verlaufen; alle anderen Reaktionskräfte müssen zusätzlich von der Bedienungsperson aufgefangen werden. Es ist zu Beginn des Krafthubes also beispielsweise nicht möglich, die in Bezug auf die Schwenkachse des einen Handhebels etwa radial verlaufenden Handhebel in rein tangentialer Richtung zu belasten (dann würde die Bedienungsperson den Werkzeuggrundkörper an sich heranziehen), sondern es müssen rein achsparallele Kräfte aufgebracht werden. Dies äußert sich mechanisch so, daß hierdurch die wirksame Länge der in diesem Augenblick unter einem Winkel von etwa 90 Grad zueinander verlaufenden Handhebel drastisch verkürzt wird. Die Verhältnisse bessern sich zwar mit zunehmender Annäherung der Handhebel aneinander, was die zunehmenden Verformungskräfte beim Aufweitevorgang in gewissem Umfange kompensiert, aber je nach der gewählten Antriebsart auch dazu führen kann, daß die Betätigungskräfte gegen Ende des Krafthubes drastisch absinken, so daß die Bedienungsperson überhaupt kein "Gefühl" mehr dafür hat, welche Kräfte und Reaktionskräfte im Innern des Antriebssystems freigesetzt werden.
- Im Zuge der historischen Entwicklung derartiger zangenähnlicher Expander sind folgende Antriebssystem entstanden:
- Bei dem Expander nach der GB-PS 866 994 (Rast) wirkt ein exzentrisch gelagerter Nocken unmittelbar auf die abgeschrägte Rückseite des Spreizdorns ein. Hierdurch entstehen in Bezug auf die Nockenkurve tangentiale Kraftkomponenten, in Bezug auf den Spreizdorn radiale Kraftkomponenten, die den Spreizdorn gegen seine Lagerung pressen und hierdurch mit zunehmenden Verformungskräften des Werkstücks auch eine zunehmende Schwergängigkeit erzeugen. Der Spreizdorn ist gewissermaßen die Bremsbacke für den Nocken, so daß die Betätigungskräfte beim Aufweiten progressiv ansteigen. Ein weiterer Nachteil dieses Antriebssystems besteht darin, daß der Spreizdorn nicht zurückgezogen werden kann. Da die Spreizbacken mit ihrer Rückstellfeder gegenüber dem Spreizdorn im Bereich der Selbsthemmung arbeiten, können auch die Spreizbacken mit ihren Steuerflächen, die als Kegelsektoren aufgefaßt werden können, kein Zurückschieben des Spreizdorns herbeiführen. Bei schrumpfenden Werkstücken wie beispielsweise beim Aufweiten oder Expandieren von Plastikrohren läßt sich daher ein solcher Expander nicht ohne weiteres mehr aus dem Rohr lösen.
- Bei einer Weiterentwicklung dieses Antriebsprinzips nach der GB-PS 1 485 098 (Rothenberger) wurde zwar der Kraftbedarf für die axiale Verschiebung des Spreizdorns dadurch verringert, daß man den Kurvenverlauf des Nockens flacher ausgebildet und den vollen Hub des Spreizdorns dadurch erreicht hat, daß man den Nocken mehrfach betätigt und ihn nach jedem Hub nachgesetzt hat. Zu diesem Zwecke war die Nockenachse in zwei Kulissen mit axial gestaffelten Kulissenausnehmungen versetzbar. Die Kraftersparnis durch das geänderte Übersetzungsverhältnis und die damit verbundene Verlängerung des Betätigungsweges war jedoch sehr begrenzt, denn die Bremswirkung des Spreizdorns auf die Nockenfläche blieb praktisch unverändert. Mit diesem bekannten System war ein Zwangsrückzug des Spreizdorns schlechterdings unmöglich, weil weder der Handhebel noch der Nocken wegen der Kulissenführung auf Zug beansprucht werden konnten. Eine zwischen dem Spreizdorn und dem Werkzeuggrundkörper angeordnete Druckfeder konnte allenfalls eine gewisse Rastwirkung in der Kulissenführung erzeugen, nicht aber einen Zwangsrückzug des Spreizdorns.
- Durch die DE-PS 37 32 628 ist ein Expander bekannt, bei dem zwar durch ein Zugglied zwischen dem Spreizdorn und dem Handhebel ein Zwangsrückzug des Spreizdorns und damit eine Rückkehr der Spreizbacken in die Ausgangslage ermöglicht wurde, bei dem jedoch die hohen Antriebskräfte die gleichen blieben wie bei dem Expander nach der GB-PS 866 994.
- Bei dem Antriebssystem nach der US-PS 4 425 783 werden zwar die Reibungskräfte zwischen dem Nocken und dem Spreizdorn einerseits und dem Spreizdorn und seiner Führung (Bohrung) andererseits weitgehend eliminiert, ohne jedoch die Mittel für eine Zwangsrückführung des Spreizdorns zu schaffen. Dies geschieht dadurch, daß zwischen dem Spreizdorn und dem Nocken ein schwenkbares hammerförmiges Druckglied angeordnet ist und daß der Nocken und die auf ihm abrollende Oberfläche des Druckgliedes einen solchen Kurvenverlauf besitzen, daß die Achse des Spreizdorns stets die gemeinsame Berührungslinie von Nocken und Druckglied schneidet. Um dabei stets von der gleichen Ausgangsposition des Druckgliedes ausgehen zu können, besitzt dieses eine Rückstellfeder. Wenn jedoch der Krafthub unterbrochen wird, dann fällt das Druckglied unter der Wirkung der Rückstellfeder zurück, und die zuvor vorhandene Korrelation zwischen Nocken und Druckglied ist nicht mehr gegeben. Dieses bekannte System erzeugt jedoch wegen der komplizierten Lagerung von Nocken und Handhebel Reibungskräfte an einer anderen Stelle, nämlich auf dem Umfang zweier relativ großer Kreisscheiben, mit denen Handhebel und Nocken im Werkzeuggrundkörper gelagert sind. In diesem Falle wirkt der Werkzeuggrundkörper gegenüber den besagten Kreisscheiben unter dem Einfluß der axialen Betätigungskräfte als Bremseinrichtung.
- Durch die EP-OS 0 252 868 ist ein Antriebssystem bekannt, bei dem geringe Antriebskräfte mit einem Zwangsrückzug des Spreizdorns gepaart sind. Dies geschieht dadurch, daß zwischen einem Handhebel, der keinen Nocken aufweist, und dem Spreizdorn ein Kniehebel angeordnet ist. Hierbei wird einerseits durch die Schrägstellung des Kniehebels zu Beginn des Arbeitshubes gegenüber dem Expander nach der US-PS 4 425 783 wieder der Nachteil erkauft, daß auf den Spreizdorn Querkraftkomponenten einwirken, die die Reibung zwischen dem Spreizdorn und seiner Lagerung (Bohrung) erhöhen, andererseits hat jedoch ein Kniehebelantrieb die Eigenart, daß die durch ihn erzeugten Abtriebskräfte beim Erreichen der gestreckten Lage aller Gelenke des Kniehebelsystems gegen Unendlich gehen, wenn die angetriebenen Teile an einen Anschlag anstoßen. Werden nämlich Toleranzen unterschritten, insbesondere Toleranzen in den Zubehörteilen, zu denen regelmäßig mehrere Sätze von Spreizbacken unterschiedlichen Durchmessers gehören, so kann eine Überlastung erfolgen, ohne daß dies der Bedienungsperson durch eine entsprechende Steigerung der Betätigungskräfte auffällt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei der Verwendung eines Kniehebelan triebs für einen Expander der Kraftbedarf am Ende des Arbeitshubes praktisch zu Null wird, d.h. die Handhebel lassen sich nahezu kräftefrei aneinanderlegen. Die Bedienungsperson hat infolgedessen jedes "Gefühl" für den Aufweitevorgang verloren. Üblicherweise werden Kniehebelpressen zur Vermeidung einer Überlastung im Bereich der gestreckten Lage aller drei Kniehebelgelenke mit Überlastkupplungen versehen, um eine Zerstörung des Systems zu vermeiden. Der Einbau solcher Überlastkupplungen verbietet sich jedoch aus Platz- und Gewichtsgründen bei Handwerkzeugen.
- Durch das DE-GM 88 07 784 ist ein Aufweitewerkzeug der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem die frei drehbare Rolle durch einen Wälzkörper gebildet wird, dessen Zylinderfläche , die sogenannte Lauffläche für den Steuerkörper, in einer quer zur Achse des Spreizdorns verlaufenden komplementären Ausnehmung gelagert ist. Dadurch wird aber die Reibung zwischen dem Nocken und dem Spreizdorn nicht oder nur unwesentlich vermindert, denn der Wälzkörper gleitet in seiner Ausnehmung mit der Zylinderfläche, d.h. mit dem gleichen Durchmesser, auf dem auch die Nockenoberfläche abrollt. Dadurch werden die Reibungs- oder Bremskräfte lediglich an eine andere Stelle verlagert, oder der Nocken gleitet bereits bei einer leichten Schwergängigkeit des Wälzkörpers auf dessen stillstehender Oberfläche. Man nennt ein solches mechanisches System auch "indifferent". An den Kräfteverhältnissen, insbesondere an den Reibungs- und Querkräften, ändert sich hierdurch nichts.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufweitewerkzeug der eingangs beschriebenen Gattung, also ein solches mit einem Steuerkörper im Antriebssystem, anzugeben, bei dem Reibungskräfte im System auf ein Minimum reduziert werden, ein Zwangsrückzug des Spreizdorns erfolgt, die Betätigungskräfte über den gesamten Arbeitshub weitgehend konstant bleiben, so daß die Bedienungsperson ein "Gefühl" für den ordnungsgemäßen Ablauf des Aufweitevorgangs hat und bei dem eine Überlastung auch bei ungünstiger Toleranzlage nicht eintreten kann.
- Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Aufweitewerkzeug erfindungsgemäß dadurch, daß
- a) die Rolle eine Zylinderfläche und eine abgesetzte koaxiale Rollenachse aufweist,
- b) der Spreizdorn an seinem inneren Ende zwei Seitenwangen und einen dazwischenliegenden Schlitz aufweist, wobei die Rolle ohne Abstützung auf ihrer Zylinderfläche im Schlitz und die Rollenachse in den Seitenwangen gelagert ist, und daß
- c) zwischen Spreizdorn und Handhebel eine Rückzugseinrichtung für den Spreizdorn angeordnet ist.
- Eine solche Rolle ist stets einsatzbereit, und sie verliert im Gegensatz zum Expander nach der US-PS 4 425 783 auch dann nicht ihre Wirkung, wenn der Expansionshub unterbrochen werden sollte. Auch benötigt eine Rolle keine Rückstellfeder.
- Die Reibungskräfte werden dabei auf ein Minimum reduziert, und zwar gegenüber der US-PS 4 424 783 dadurch, daß die Gelenkzapfen und damit die Lagerstellen einen relativ kleinen Durchmesser haben, und weiterhin dadurch, daß die Berührungslinie zwischen der Nockenfläche und der Zylinderfläche der Rolle immer auf oder mindestens in unmittelbarer Nähe der Achse des Spreizdorns liegt.
- Gegenüber dem DE-GM 88 07 784 werden die Reibungskräfte dadurch reduziert, daß die Rollenachse einen gegenüber der Zylinderfläche der Rolle abgesetzten, deutlich kleineren Durchmesser aufweist, so daß bei gleichen auf den Spreizdorn axial einwirkenden Druckkräften ein deutlich geringeres Gegen-Drehmoment bzw. Bremsmoment erzeugt wird. Es wirken mithin keine oder zumindest keine merklichen Querkräfte auf den Spreizdorn ein.
- Weiterhin läßt sich die Rückzugseinrichtung für den Zwangsrückzug des Spreizdorns leicht in das Antriebssystem integrieren. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Rückzugseinrichtung als Zugglied in Form einer starren Lasche ausgebildet, die aus einem relativ dünnen Blech ausgebildet und in einem schmalen Schlitz des Steuerkörpers geführt sein kann, da sie nicht auf Druck beansprucht wird. Außerdem aber verhindert das Zugglied auf einfachste Weise ein Verdrehen des Spreizdorns gegenüber dem Nocken, ohne daß hierfür eine besondere Führung des Spreizdorns im Werkzeuggrundkörper erforderlich würde.
- Bei einem entsprechenden Verlauf der Steuerkurve relativ zur Achse läßt sich außerdem ohne weiteres erreichen, daß die Betätigungskraft über nahezu den gesamten Schwenkwinkel des Handhebels, zumindest aber über den letzten Teil des Schwenkbereichs weitgehend konstant bleibt, so daß die Bedienungsperson das Gefühl hat, daß der Aufweitevorgang auch weiterhin zu Ende geführt wird. Schließlich ist auch eine Überlastung der Bauteile des gesamten Aufweitewerkzeuges ausgeschlossen, da sich nämlich ein Anstoßen von beweglichen Teilen an ortsfesten Teilen sofort als Zunahme der Betätigungskraft äußert, so daß der Bedienungsperson das Gefühl vermittelt wird: Der Aufweitevorgang ist beendet.
- Durch das Spiel in Längsrichtung der Lasche wird verhindert, daß die Lasche zu irgend einem Zeitpunkt des Aufweitevorgangs auf Druck beansprucht wird. Der Laschenzapfen ist dabei jedoch in einer solchen Weise in einem Langloch in der Lasche gelagert, daß der Spreizdorn sofort eine Rückzugsbewegung ausführt, wenn der Handhebel zurückgeschwenkt wird. Dadurch, daß die Lasche die Rolle an deren Außenumfang umgreift, kann sich die Rollenachse nicht gegenüber der Lasche bzw. dem Zugglied verdrehen.
- Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die Ausnehmung des Steuerkörpers mittig angeordnet ist und Seitenwände aufweist, die parallel zu den im Werkzeuggrundkörper geführten Seitenwänden des Steuerkörpers verlaufen, wenn das andere Ende der Lasche eine zylindrische Bohrung besitzt, die die Rolle in deren axialer Mitte umschließt, und wenn die Lasche jenseits dieser Bohrung einen Fortsatz aufweist, der in dem parallelen Spalt des Spreizdorns geführt ist, wobei der besagte Spalt in den die Rolle aufnehmenden Schlitz mündet.
- Schließlich ist es von besonderem Vorteil, wenn die Schwenkachse des Steuerkörpers und die Rollenachse die Bohrungsachse schneiden. In diesem Falle treten praktisch nur achsparallele Kräfte innerhalb des Systems auf, so daß Reibungskräfte und Verschleiß zwischen dem Spreizdorn und der Bohrung im Werkzeuggrundkörper vermieden werden.
- Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist bei sonst gleicher Rollenlagerung dadurch gekennzeichnet, daß
- der Steuerkörper einen bogenförmig um seine Schwenkachse verlaufenden Schlitz aufweist, dessen beide Enden nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns unterschiedliche Abstände von der besagten Schwenkachse aufweisen und dessen lichte Weite dem Durchmesser der Rolle entspricht, und in dem die Rolle in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns geführt ist, und daß
- der Steuerkörper mindestens teilweise zwischen den beiden Seitenwangen des Spreizdorns geführt ist. - Dadurch wird bei robuster Ausführung erreicht, daß die der Schwenkachse des Steuerkörpers näherliegende Kurvenfläche des Schlitzes (bzw. das diese Kurvenfläche tragende bügelförmige Teil des Steuerkörpers) die Rolle hintergreifen kann, so daß ein Antrieb des Spreizdorns in beiden axialen Richtungen möglich ist, also auch ein Zwangsrückzug.
- Der Steuerkörper, der als Stanzteil aus einer Stahlplatte oder einteilig mit dem Handhebel als Schmiedeteil herstellbar ist und nur geringer Nachbearbeitung an den Oberflächen des Schlitzes bedarf, ist zugleich ein zusätzliches Führungselement des Spreizdorns und sichert diesen auch gegen eine Verdrehung. Es versteht sich dabei, daß die Dicke des Steuerkörpers mindestens stellenweise dem lichten Abstand der Seitenwangen des Spreizdorns entspricht.
- Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Enden des bogenförmigen Schlitzes Anschläge für die Begrenzung des Schwenkwinkels des schwenkbaren Handhebels bilden, der Bogenwinkel des Schlitzes also definiert begrenzt ist. Dadurch wird zweierlei erreicht: Einmal begrenzt der eine Anschlag die Annäherung der Handhebel bis auf einen Mindestabstand, der eine Fingerquetschung verhindert, zum andern wird auch die Betätigungskraft der Handhebel am Ende des Aufweitevorgangs definiert.
- Es ist besonders einfach, dem bogenförmigen Schlitz in Bezug auf die Schwenkachse des Steuerkörpers und die Rolle einen solchen Verlauf zu geben, daß die Betätigungskraft am beweglichen Handhebel mindestens über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant bleibt.
- Es ist dabei im Hinblick auf die Montage bei der Herstellung, die Baugröße, das Gewicht und die Verwindungssteifigkeit des beweglichen Handhebels gegenüber dem Werkzeuggrundkörper besonders vorteilhaft, wenn der Steuerkörper das eine Ende des schwenkbaren Handhebels bildet und ein Auge für die Hindurchführung eines Gelenkzapfens aufweist, der einen Spalt im Grundkörper durchsetzt und in diesem seitlich außerhalb des Spreizdorns auf der den Handhebeln gegenüberliegenden Seite beiderseits des Spalts im Grundkörper gelagert ist.
- Materialkosten und Gewicht können dabei weiterhin positiv beeinflußt werden, wenn der Steuerkörper als plattenförmiges Bauteil ausgeführt und in einen parallelwandigen Schlitz des beweglichen Handhebels eingesetzt ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine Konstruktion, bei der der Werkzeuggrundkörper und die beiden Handhebel aus einer Leichtmetall-Legierung bestehen, der Steuerkörper aber aus Stahl besteht.
- Eine besonders langlebige Ausführung wird bei einem Aufweitewerkzeug, bei dem der Werkzeuggrundkörper in an sich bekannter Weise ein zum Spreizdorn konzentrisches Gewinde aufweist, auf das der Satz von Spreizbacken mittels einer Gewindehülse aufschraubbar ist, dann geschaffen, wenn das Gewinde auf der Außenfläche eines Ansatzteils angeordnet ist, das mittels eines hohlzylindrischen Fortsatzes mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden ist, und wenn die durchgehende Bohrung von Ansatzteil und Fortsatz die axiale Führung für den Spreizdorn ist.
- Drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 9 näher erläutert.
- Es zeigen:
- Figur 1 an einem ersten Ausführungsbeispiel einen Axialschnitt durch den Werkzeuggrundkörper mit allen wesentlichen Antriebsteilen,
- Figur 2 eine Draufsicht von oben auf den Gegenstand von Figur 1,
- Figur 3 eine Explosionsdarstellung des Aufweitewerkzeugs nach Figur 1,
- Figur 4 einen vergrößerten Teilausschnitt aus Figur 1 in einer zur Zeichenebene senkrechten Schnittebene entlang der Achse A-A,
- Figur 5 ein Diagramm mit einer vergleichsweisen Darstellung der Betätigungskräfte beim Stande der Technik und beim Erfindungsgegenstand,
- Figur 6 an einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Seitenansicht wesentlicher Teile der Aufweitevorrichtung bei Beendigung eines Aufweitevorgangs. d.h. mit maximal zusammengeführten Handhebeln, zusammen mit einer perspektivischen Darstellung eines abgeschraubten Satzes von Spreizbacken,
- Figur 7 eine Seitenansicht des Gegenstandes von Figur 6, jedoch vor Beginn eines Aufweitevorgangs, d.h. mit maximal auseinander geschwenkten Handhebeln,
- Figur 8 das obere Ende des Spreizdorns mit Rolle, gegenüber Figur 7 um 90 Grad gedreht und in vergrößertem Maßstab, und
- Figur 9 eine Draufsicht auf wesentliche Teile eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem in einen Handhebel aus Leichtmetall eingesetzten Steuerkörper aus Stahl.
- In den Figuren 1 bis 4 ist ein Aufweitewerkzeug 1 dargestellt, das einen ursprünglich als Drehteil ausgebildeten Werkzeuggrundkörper 2 besitzt, an dem seitlich ein radial abstehender erster Handhebel 3 befestigt ist. Der Werkzeuggrundkörper 2 besitzt eine Achse A-A und eine hierzu konzentrische Bohrung 4, in der axial verschiebbar ein Spreizdorn 5 gelagert ist, dessen eines Ende 5a kegelförmig verjüngt ausgebildet ist und aus dem Werkzeuggrundkörper 2 herausragt.
- Das dem Ende 5a des Spreizdorns 5 abgekehrte Ende des Werkzeuggrundkörpers 2 ist jenseits des Handhebels 3 mit einem parallelwandigen Schlitz 6 versehen, in den die Bohrung 4 mündet. Beiderseits des Schlitzes 6 sind zwei Wangen 8 und 9 stehen geblieben (Figur 3), die gewissermaßen den Lagerbock für einen als Nocken ausgebildeten Steuerkörper 10 bilden.
- Dieser Steuerkörper 10 besitzt eine Bohrung 10a zur Aufnahme einer Achse 7, die in dem Schlitz 6 gelagert ist, wobei die Mittenachse der Achse 7 senkrecht zur Achse A-A verläuft und diese schneidet. Der Steuerkörper 10 besitzt eine zur Achse 7 bzw. Bohrung 10a exzentrisch verlaufende Steuerkurve 11, die auf die nachstehend noch näher erläuterte Weise auf den Spreizdorn 5 einwirkt.
- Der Steuerkörper 10 ist einstückig mit einem zweiten Handhebel 12 verbunden, der seitlich aus dem Schlitz 6 herausragt. Beide Handhebel 3 und 12 besitzen an ihren hier nicht dargestellten Enden Handgriffe, so daß sich die beiden Handhebel in Bezug auf den Werkzeuggrundkörper 2 wie eine Zange betätigen lassen. Figur 1 zeigt die beiden Handhebel 3 und 12 in ihrer einander am meisten angenäherten Stellung. Es ist jedoch erkennbar, daß sich der zweite Handhebel 12 aus der gezeichneten Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn um einen Schwenkwinkel von mehr als 90 Grad, d.h. über die Achse A-A hinaus verschwenken läßt. Die Steuerkurve 11 hat dabei in Bezug auf die Achse 7 eine solche geometrische Form, daß dem Fließverhalten des Werkstücks und dem Verlauf der Betätigungskräfte in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Handhebels 12 optimal Rechnung getragen wird, und daß dabei insbesondere die Betätigungskraft am Handhebel 12 über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant ist. Ein solcher Kräfteverlauf ist in Figur 5 durch die mittlere Kurve dargestellt.
- Der Werkzeuggrundkörper 2 besitzt an seinem dem Ende 5a des Spreizdorns 5 zugekehrten Ende ein Gewinde 13 und eine Ringschulter 14 für das Ansetzen eines Satzes 15 von einzelnen Spreizbacken 16, die auf den Umfang des Spreizdorns 5 verteilt sind. Die Spreizbacken 16 sind durch Niete 17 in radialer Richtung verschiebbar in dem nach innen gerichteten Flansch einer Überwurfmutter 118 geführt und gehalten, die mit dem Gewinde 13 und gegen die Ringschulter 14 verschraubt ist. Es ergibt sich aus einer Betrachtung der Figur 1, daß der Spreizbackensatz 15 bei einem Einschieben des kegelförmigen Endes 5a in die Spreizbacken 16 radial nach außen geschoben werden kann. Ein Rückzug wird durch eine Ringfeder 16a bewirkt, die jedoch wegen der bestehenden Selbsthemmung den Spreizdorn 5 nicht verschieben kann.
- Der Spreizdorn 5 besitzt an seinem inneren Ende zwei Seitenwangen 5b und 5c, die einen mittigen, parallelwandigen Schlitz 5d zwischen sich einschließen. In diesem Schlitz ist eine Rolle 19 mittels einer Rollenachse 19a frei drehbar gelagert, wobei die Rollenachse 19a parallel zur Achse 7 verläuft. Die Zylinderfläche 19b der Rolle 19 ragt nur nach oben sowie seitlich in Richtung auf den Handhebel 12 aus dem Schlitz 5d heraus, wie dies in den Figuren 1 und 4 dargestellt ist. Auf diese Weise ist die Rolle auf der Steuerkurve 11 des Steuerkörpers 10 abrollbar (Figur 1). Die Zylinderfläche 19b berührt aber nicht Oberflächenteile des Spreizdorns 5: Die Abstützung der Rolle 19 im Spreizdorn erfolgt ausschließlich über die Rollenachse 19a.
- Zwischen dem Spreizdorn 5 und dem Handhebel 12 ist eine Rückzugseinrichtung 20 für den Zwangsrückzug des Spreizdorns aus den Spreizbacken 16 angeordnet, und zwar ist der Spreizdorn 5 über eine starre Lasche 21 mit dem Steuerkörper 10 und damit auch mit dem Handhebel 12 verbunden. Die starre Lasche 21 ist als planparallele Platte aus Blech gestanzt und weist an ihrem einen Ende eine zylindrische Bohrung 21a und an ihrem anderen Ende ein Langloch 21b auf. Die Lasche 21 ist mittels des Langlochs 21b über einen Laschenzapfen 22 mit dem Steuerkörper 10 verbunden. Mittels der zylindrischen Bohrung 21a umschließt die Lasche 21 die Rolle 19 in deren axialer Mitte. Die Lasche 21 besitzt jenseits bzw. unterhalb der Bohrung 21a einen Fortsatz 21c, der in einen parallelwandigen Spalt 5e des Spreizdorns 5 eingreift. Dies geschieht mit kleinstmöglichem Spiel, um eine Verdrehung des Spreizdorns 5 mit der Rolle 19 gegenüber der Lasche 21 zu verhindern. Der Spalt 5e mündet mittig in den Schlitz 5d, in dem die Rolle 19 gelagert ist (Figur 1 in Verbindung mit insbesondere Figur 4). Der Fortsatz 21c kann innerhalb des Spaltes 5e eine Schwenk- und Längsbewegung ausführen. Der Steuerkörper 10 ist mit einer Bohrung 10a versehen, in die in montiertem Zustand die Achse 7 eingesetzt ist. Die beiden Enden der Achse 7 sind in zwei miteinander fluchtenden Bohrungen in den beiden Seitenwangen 8 und 9 gelagert. In Figur 3 ist nur die eine der beiden Bohrungen 8a gezeigt.
- Der Steuerkörper 10 ist weiterhin mit einer Bohrung 10b versehen, die exzentrisch zur Bohrung 10a verläuft und in der in montiertem Zustand der Laschenzapfen 22 gelagert ist. Genauer gesagt, ist die Bohrung 10b in der Mitte durch eine schlitzförmige Ausnehmung 10c unterbrochen, in der das obere Ende der Lasche 21 verdrehsicher geführt ist. Die Seitenwände der Ausnehmung 10c verlaufen parallel zueinander und parallel zu den im Werkzeuggrundkörper 2 mittels der Seitenwangen 8 und 9 geführten Seitenwänden des Steuerkörpers 10. Die Breite der Ausnehmung 10c ist nur geringfügig größer als die Dicke der Lasche 21.
- Es ist insbesondere Figur 1 zu entnehmen, daß die schlitzförmige Ausnehmung 10c in Bezug auf die Achse 7 einen solchen Umfang hat, daß der Grund 10d der Ausnehmung 10c in keiner möglichen Stellung des Handhebels 12 an die Lasche 21 anstößt.
- Figur 5 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Durchmesserdifferenz Δ D bzw. der doppelte Aufweiteweg in Millimeter aufgetragen ist, auf der Ordinate hingegen - in dimensionslosen Einheiten - die Betätigungskraft zwischen den beiden Handhebeln 3 und 12. Auf der Ordinate wurden deswegen dimensionslose Einheiten gewählt, weil die Betätigungskraft natürlich abhängig ist von dem aufzuweitenden Durchmesser, der Wandstärke und den Verformungseigenschaften des Werkstücks. Der erste Millimeter des Weges der Durchmesservergrößerung der Spreizbacken erfolgt im sogenannten Leerhub. Hierbei sind nur die geringen Reibungskräfte im System zu überwinden. Das Werkstück wird alsdann zunächst bis zu einem Punkt P elastisch verformt; daran schließt sich eine plastische Verformung des Werkstoffs an, bis das Werkstück den Enddurchmesser erreicht hat (gestrichelte Linien. Die geringe Rückfederung nach Entlastung des Werkstücks sei hier vernachlässigt.
- Die obere Kurve C1 zeigt den Kräfteverlauf bei einem Aufweitewerkzeug, bei dem die Steuerkurve 11 auf dem inneren stumpfen Ende des Spreizdorns gleitet. Es ist deutlich erkennbar, daß der Kraftbedarf progressiv bis zu einem sehr hohen Endwert ansteigt.
- Die untere Kurve C2 zeigt den Kräfteverlauf bei einem Kniehebelexpander, und es ist deutlich erkennbar, daß der Kraftbedarf nach Überschreitung eines Maximums drastisch bis auf einen sehr geringen Wert abfällt. Dieser Rückgang der Betätigungskraft geht jedoch keineswegs mit einer Reduzierung der Kräfte im System einher. Das Gegenteil ist vielmehr der Fall: Da die gestreckte Lage der Gelenkstellen des Kniehebelsystems im Bereich der gestrichelten Linie erreicht wird, steigen die Kräfte notwendigerweise bis auf den Wert Unendlich, eine entsprechende Gegenkraft vorausgesetzt, die beispielsweise auch durch eine zu enge Toleranz ungewollt auftreten kann.
- Die mittlere Kurve C3 beschreibt den Kräfteverlauf beim erfindungsgemäßen Antriebssystem, und es ist deutlich erkennbar, daß die Betätigungskraft zumindest im letzten Teil des Aufweiteweges des Werkstücks im wesentlichen konstant bleibt. Berühren sich hierbei irgendwelche Teile innerhalb des Antriebssystems, so erfolgt ein abrupter Kraftanstieg in Richtung des Kurvenabschnitts C4, d.h. der Bedienungsperson wird sofort signalisiert, daß an dieser Stelle keine weitere Aufweitung mehr möglich ist.
- Es ist natürlich möglich, auch dem Steuerkörper bzw. der Steuerkurve 11 einen solchen Verlauf zu geben, daß die Betätigungskraft gegen Ende des Aufweitevorgangs drastisch abfällt. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn die Steuerkurve 11 in dem Teilabschnitt, der zu allerletzt zum Einsatz kommt, nahezu tangential zu einem Radius verläuft, der durch die Achse 7 verläuft. Dies ist aber nicht der Sinn der Anordnung. Es ist aber umgekehrt unmöglich, den Kräftebedarf nach einem Antriebssystem gemäß der Kurve C1 abzusenken oder den Kräftebedarf bei einem Kniehebel-System gemäß der Kurve C2 entsprechend anzuheben. Ein Kniehebel-System hat nun einmal die unvermeidbare Eigenschaft, daß die Abtriebskräfte beim Eintritt aller Gelenkachsen in die gestreckte Lage gegen Unendlich gehen, während die Antriebskräfte gleichzeitig praktisch zu Null werden. Die Beeinflußbarkeit der Betätigungskräfte ist auch der Hauptgrund dafür gewesen, daß sich der bekannte Nockenantrieb des Spreizdorns über mehrere Jahrzehnte auf dem Markt bewährt hat.
- In den Figuren 6 und 7 ist ein Aufweitewerkzeug 101 dargestellt, das einen aus Stahl bestehenden Werkzeuggrundkörper 102 mit einem ersten, starr angebrachten, gleichfalls aus Stahl bestehenden Handhebel 103, eine Bohrung 104, und einen in dieser axial verschiebbar gelagerten, aus der Bohrung mit einem äußeren verjüngten Ende 105a herausragenden Spreizdorn 105 besitzt. In dem gegenüberliegenden, gleichfalls aus dem Werkzeuggrundkörper 102 herausragenden Ende des Spreizdorns 105 ist mittels einer zylindrischen Rollenachse 106 eine frei drehbare Rolle 107 gelagert, deren Drehachse senkrecht zur Dornachse steht.
- Der Werkzeuggrundkörper 102 besitzt ein Führungsteil 102a, in dem der Spreizdorn gelagert ist und das in etwa als Quader mit abgerundeten Ecken und Kanten geformt ist. Der Spreizdorn 105 ragt mit der Rolle 107 nach oben aus dem Führungsteil 102a heraus. Zwischen dem Führungsteil 102a und dem starr und einstückig angeformten Handhebel 103, der einen T-förmigen Querschnitt mit unten liegendem Flansch 103a besitzt, befindet sich ein Übergangsstück 102b mit entsprechend schrägen Wandflächen, durch das Stufen und Sprünge vermieden werden (die Anordnung entspricht in etwa derjenigen nach Figur 9). Führungsteil 102a und Übergangsstück 102b besitzen eine nach oben offene, strichpunktiert dargestellte spaltförmige Ausnehmung 102c, in die der nachfolgend näher beschriebene Steuerkörper 109 eintauchen kann (Figur 6).
- Gleichfalls im Werkzeuggrundkörper 102 ist mittels einer Schwenkachse 108 der auf die Rolle 107 einwirkende schwenkbare Steuerkörper 109 gelagert, der mit einem zweiten, schwenkbaren Handhebel 110 einstückig verbunden ist, der gleichfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei der Flansch 110b diesmal oben liegt.
- Steuerkörper 109 und der Steg 110c haben die gleiche Dicke. Durch den Steuerkörper 109 ist der Spreizdorn 105 bei Hebelbetätigung im Uhrzeigersinne in die Stellung gemäß Figur 6 um einen vorgegebenen Hub aus dem Grundkörper heraus gegen einen mit dem Grundkörper verbindbaren Satz von radial beweglich in einer Gewindehülse 112 geführten Spreizbacken 111 verschiebbar. Die Gewindehülse 112 ist zusammen mit den Spreizbacken 111 auf ein Gegengewinde 112a aufschraubbar, das konzentrisch zum Spreizdorn 105 an der Unterseite des Führungsteils 102a angeordnet ist. Die auch als Spreizkopf bezeichneten Teile 111 und 112 und ihre Arbeitsweise sind Stand der Technik, so daß sich ein näheres Eingehen hierauf erübrigt.
- Die Angaben "oben" und "unten" beziehen sich auf die in den Figuren dargestellte Lage.
- Die Rollenachse 106 ist im Durchmesser merklich kleiner als die Rolle 107 bzw. deren Lauffläche 107a, die beim Aufweitevorgang auf einer ersten Steuerkurve 113 des Steuerkörpers 109 abrollt. Mittels der Rollenachse 106 ist die Rolle 107 in gleicher Weise wie bei den Figuren 1 bis 4 in und zwischen zwei nach innen von parallelen Wänden begrenzten Seitenwangen 105b und 105c des Dorns 105 gelagert, d.h. in einem Spalt.
- Der Steuerkörper 109 besitzt einen von einer zur anderen Seite durchgehenden, bogenförmig um die Schwenkachse 108. verlaufenden Schlitz 114, der auf einer Seite durch die erste Steuerkurve 113 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine zweite Steuerkurve 115 begrenzt ist. Die lichte Weite des Schlitzes 114 entspricht an jeder Stelle dem Durchmesser der Rolle 107 (zuzüglich eines geringen Spiels), so daß die Rolle 107 im Schlitz 114 eingeschlossen und in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns zwangsgeführt ist, wobei die Steuerkurve 113 den Aufweitevorgang und die die Rolle 107 hintergreifende Steuerkurve 115 den Zwangsrückzug bewirkt. Die Rückzugseinrichtung 126 wird durch einen die Steuerkurve 115 tragenden Teil des Steuerkörpers 109 gebildet.
- Der Steuerkörper 109 paßt im Bereich beider Steuerkurven 113 und 115 mit geringem Spiel in den Spalt zwischen den Seitenwangen 105b und 105c des Spreizdorns 105, so daß dieser auch gegen ein Verdrehen zwischen den beiden Seitenwangen geführt ist.
- Die beiden halbzylindrisch-konkav geformten Enden 116 und 117 des bogenförmigen Schlitzes 114 sind durch die Steuerkurven 113 bzw. 115 miteinander verbunden, und ihre Krümmungsmittelpunkte, die in den beiden möglichen Endstellungen alternativ mit der Achse der Rolle 107 zusammenfallen, haben nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns 5 unterschiedliche Abstände von der Schwenkachse 108. Der Kurvenverlauf ist monoton, d.h. keine Stellung des Spreizdorns wird beim Schwenken des Steuerkörpers in einer Richtung zweimal durchlaufen.
- Die Enden 116 und 117 bilden Anschläge für die Begrenzung des Schwenkwinkels des schwenkbaren Handhebels 110, wobei der eine Anschlag (Ende 116) die Annäherung der Handhebel bis auf einen Mindestabstand begrenzt, der eine Fingerquetschung verhindert (Figur 6). Der andere Anschlage (Ende 117) begrenzt die Öffnungsbewegung der Handhebel gemäß Figur 7.
- Der bogenförmige Schlitz 114 hat in Bezug auf die Schwenkachse 108 des Steuerkörpers 109 und die Rolle 107 einen solchen Verlauf, daß die Betätigungskraft am beweglichen Handhebel 110 über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant ist.
- Der Steuerkörper 109 bildet das eine Ende des aus Schmiedestahl bestehenden schwenkbaren Handhebels 110 und besitzt ein Auge 118 für die Lagerung auf der Schwenkachse 108. Diese durchsetzt einen Spalt 119 im Grundkörper 102 und ist in diesem seitlich außerhalb des Spreizdorns 105 auf der den Handhebeln 103 und 110 gegenüberliegenden Seite beiderseits des Spalts 119 im Grundkörper 102 gelagert.
- Um keine Behinderung zwischen dem Auge 118 und dem Spreizdorn 105 eintreten zu lassen, ist letzterer in Verlängerung des Spaltes zwischen den Seitenwangen 105b und 105c auf einer Seite mit einer eingefrästen Nut 120 versehen. Es ist auch erkennbar, daß die Schwenkachse 108 deutlich näher am Gegengewinde 112a liegt als die Achse 7 beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4.
- Das der Schwenkachse 108 zugekehrte Teil des Steuerkörpers 109 bildet wegen des Schlitzes 114, der auch als Kulisse bezeichnet werden kann, gewissermaßen einen Bügel, der die Steuerkurve 115 trägt. Um den vollen Querschnitt des Spreizdorns möglichst weitgehend zu erhalten, ist der Steuerkörper 109 seitlich des Auges 118 mit einer Ausnehmung 121 versehen (Figur 7), so daß sich die Unterkante des Steuerkörpers 108 in der Endstellung gemäß Figur 6 in dem besagten Spalt gewissermaßen um den Spreizdorn herumlegt.
- Es ist einigermaßen verblüffend, daß trotz des Querversatzes der Schwenkachse 108 gegenüber der Achse des Spreizdorns 105 keine störenden Querkräfte auf den Spreizdorn ausgeübt werden, die eine Schwergängigkeit des Spreizdorns in seiner Führung zur Folge haben könnten.
- Figur 9 zeigt ein anders ausgebildetes Aufweitewerkzeug 201. In diesem Fall ist der Steuerkörper 209 als plattenförmiges Bauteil - gleichfalls aus Stahl - ausgeführt und starr in einen parallelwandigen Schlitz 222 des beweglichen Handhebels 210a eingesetzt. Dieser Handhebel ist im Bereich des Spreizdorns 205 zu einem Gehäuse 223 ausgestaltet, das in Figur 9 den Werkzeuggrundkörper verdeckt und auch - in einer nicht gezeigten Seitenansicht - den Spreizdorn 205 und die Rolle einschließt und damit gleichfalls verdeckt. Der Werkzeuggrundkörper und die beiden Handhebel (von denen nur 210 sichtbar ist) bestehen in diesem Fall aus einer Leichtmetall-Legierung, so daß eine erhebliche Gewichtsverminderung eintritt.
- Das Gegengewinde 112a ist in diesem Fall auf der Außenfläche eines Ansatzteils 224 angeordnet, das mittels eines hohlzylindrischen Fortsatzes mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden ist. Zur Erläuterung wird auf Figur 7 zurückgegriffen, in die dieser Fortsatz 125 gestrichelt eingezeichnet ist, um seine Geometrie und Lage zu charakterisieren. Ansatzteil 224 und Fortsatz 125, die einstückig ausgebildet sind und aus Stahl bestehen, haben eine durchgehende Bohrung, die die axiale Führung für den Spreizdorn 105 bzw. 205 bildet. Es versteht sich, daß bei einer Ausbildung des Werkzeuggrundkörpers aus Stahl auf das Einsetzen der Teile 224 und 125 verzichtet werden kann.
- Von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die kompakte Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist auch die Lage der Schwenkachse 108 in einer Ebene unterhalb einer durch die Rollenachse 106 gelegten Ebene (beide Ebenen senkrecht zur Dornachse A-A gedacht), d.h. zwischen jeder möglichen Stellung der Rollenachse 106 und dem verjüngten Ende 105a des Spreizdorns 105. Dadurch wird eine Verlängerung des Werkzeuggrundkörpers 102 in Richtung der Achse A-A nach oben über das Ende des Spreizdorns hinaus überflüssig.
Claims (16)
- der Steuerkörper (109) einen bogenförmig um seine Schwenkachse (108) verlaufenden Schlitz (114) aufweist, dessen beide Enden (116, 117) nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns (105) unterschiedliche Abstände von der besagten Schwenkachse (108) aufweisen und dessen lichte Weite dem Durchmesser der Rolle (107) entspricht, und in dem die Rolle (107) in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns (105) geführt ist, und daß
- der Steuerkörper (109) mindestens teilweise zwischen den beiden Seitenwangen (105b, 105c) des Spreizdorns (105) geführt ist, indem die Dicke des Steuerkörpers (109) mindestens stellenweise dem lichten Abstand der Seitenwangen (105b, 105c) entspricht.
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