EP0484789A1 - Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes (1) vorgeschlagen, bei dem das Werkstück (1) in ein seine radiale Aufweitung begrenzendes Formwerkzeug (2) eingesetzt wird, welches im Bereich des vorgesehenen Durchbruches mit einer Ausformung (6) mit einer dem Durchbruch entsprechenden Randkontur versehen ist. Danach wird der Hohlraum (3) des Werkstückes (1) mit einem Wirkmedium bis zu einem das Einschneiden der Werkstückwandung entlang einer Kante (10) der Ausformung (6) bewirkenden Innendruck pi beaufschlagt. In vorteilhafter Weise geschieht dies während eines zusätzlichen Umformens des Werkstückes (1) unter Anwendung des Innenhochdruckumformverfahrens. <IMAGE>

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes.
• Im Stand der Technik sind eine Reihe von Möglichkeiten bekannt (Bohren, Stanzen usw.), um beispielsweise rotationssymmetrische oder auch eine bestimmte Formkontur aufweisende Durchbrüche in die Wandung eines Werkstückes einzubringen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, diese Arbeitsverfahren um ein weiteres zu ergänzen.
• Gelost wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Verfahrensweise, wie sie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist.
• Aus der DE 39 25 821 A1 ist zwar ein mit einem Schaum gefüllter Energieabsorber bekannt geworden, der Öffnungen aufweist, durch die bereits zusammenengedrückter Schaum bei einem weiteren Kraftanstieg unter Energieabsorption ausgepreßt wird. Dabei wird die Öffnung erst beim Erreichen eines vorbestimmten Kraftniveaus dadurch geschaffen, daß ein durch eine Schwachstelle des Wandabschnittes umgrenzter Bereich abgetrennt wird. Anregungen, die die Erfindung hätten nahelegen können, sind aus diesem Stand der Technik allerdings nicht ableitbar.
• In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren während eines Umformens des Werkstückes unter Anwendung des Innenhochdruckverfahrens angewendet. Dadurch lassen sich zwei an einem Werkstück an sich getrennt vorzunehmende Bearbeitungsschritte zu einem einzigen Arbeitsschritt vereinigen.
• Das Innenhochdruckumformen (von vorzugsweise rohrförmigen Werkstücken) ist im Stand der Technik bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben (DE-Z "Bänder Bleche Rohre" 6/1986, Seiten 117 bis 120; DE-Z "Bleche Rohre Profile" 35 (1988) 3, Seiten 175 bis 180; "Fortschrittsberichte" VDI Reihe 2 Nr. 142, VDI-Verlag; jeweils mit Querverweisen zu weiterführendem Schrifttum).
• Das Innenhochdruckumformverfahren wird vorzugsweise zur Herstellung unterschiedlich geformter Hohlteile angewendet und ist ein materialsparendes Verfahren, das den Forderungen einer ressourcensparenden Fertigungstechnik entspricht. Die Arbeitsweise dieses Umformverfahrens ist dabei dergestalt, daß ein Werkstück-Rohling in eine Form gelegt, unter Zuhilfenahme eines geeigneten Hydraulikfluids mit hohem Innendruck beaufschlagt und unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit axialem Druck auf die Rohrwandung umgeformt wird. Axialdruck und Innendruck bewirken, daß sich der Werkstück-Rohling an die Innenkontur der Form anlegt. Dabei wird der Werkstoff in den plastischen Zustand versetzt, der während des gesamten Umformvorganges unter Berücksichtigung von Werkstoffverfestigung und etwaiger Werkzeugkräfte aufrechterhalten bleibt.
• Dadurch, daß ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendetes Werkzeug im Randbereich einer Ausformung sowohl eine scharfe Schnittkante als auch Bremskonturen aufweist, wobei letztere die Aufgabe haben, den Werkstoff im Bereich der Schnittkante gezielt am Nachfließen zu hindern, wie dies in Patentanspruch 3 angegeben ist, wird in vorteilhafter Weise eine definierte Sollbruchlinie zuverlässig gebildet.
• Eine in der Ausformung vorzugsweise mittig angeordnete Abstützfläche, wie in Patentanspruch 4 beschrieben, begrenzt die Werkstoffstreckung im inneren Bereich der auszuschneidenden Werkstückwandung und erhöht gleichzeitig die Werkstoffstreckung im frei tragenden Bereich.
• Ist die Abstützfläche gleichzeitig Teil eines Auswerfers, wie dies in Anspruch 5 angegeben ist, so kann nach Herstellung des Durchbruches die in der Ausformung gebenenenfalls noch festsitzende ausgeschnittene Werkstückwandung herausgedrückt werden.
• Die Einhaltung der Randbedingungen, wie sie mit den Patentansprüchen 6 bis 10 angegeben sind, gewährleisten eine zuverlässige Herstellung des Durchbruches.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei die Herstellung des Durchbruches während eines Umformens eines Werkstückes unter Anwendung des Innenhochdruckverfahrens erfolgt. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1

eine schematische Darstellung von Werkstück und Werkzeug in der Anordnung für ein rotationssymmetrisches Aufweitstauchen im geöffneten Werkzeug als eines der Grundverfahren des Innenhochdruckumformens und

Fig. 2

eine vergrößerte Darstellung des Bereiches X gemäß Fig. 1, in dem im Werkstück ein Durchbruch hergestellt wird.

• Das Innenhochdruckumformverfahren kennt im wesentlichen drei Grundverfahren, nämlich das partielle Ausbauchen im geschlossenen Werkzeug, das rotationssymmetrische Aufweiten im geschlossenen Werkzeug und das rotationssymmetrische Aufweitstauchen im geöffneten Werkzeug. Fig. 1 zeigt in schematisierter Form das letztgenannte Verfahren. Dabei wird ein als Rohr ausgebildetes Werkstück 1 in ein geöffnetes (Abstand a_o), aus Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 sich zusammensetzendes und während des Umformvorganges mitbewegtes Werkzeug 2 eingelegt. Nach dem Einspannen und der Abdichtung mittels geeigneter Dichtringe (nicht dargestellt) wird ein Hohlraum 3 des Werkstückes 1 über eine Zuflußöffnung 4 mit einem flüssigen Wirkmedium gefüllt. Anschließend erfolgt die Umformung, wobei sich während des Umformvorganges Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 solange mit einer Axialkraft F_a bei gleichzeitiger Wirkung eines vom Wirkmedium erzeugten Innendruckes p_i aufeinander zubewegen, bis die gewünschte Aufweitform im Werkstück 1 erreicht ist. Der Innendruck p_i ist in Abhängigkeit von insbesondere Werkstoff und Wandstärke des Werkstückes 1 zu wählen. Nach Abschluß des Umformvorganges weisen Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 noch einen Abstand a₁ auf.
• Ein detaillierteres Eingehen auf das Innenhochdruckumformverfahren dürfte entbehrlich sein. Es genügt an dieser Stelle ein Verweis auf die eingangs angegebene, insgesamt sehr umfangreiche Literatur hierzu.
• Mit der Bezugsziffer X ist derjenige Werkzeugbereich näher gekennzeichnet, in dem während des Umformvorganges auf erfindungsgemäße Weise ein Durchbruch hergestellt wird. Nähere Einzelheiten ergeben sich aus Fig. 2.
• Fig. 2 zeigt ausschnittsweise das Unterwerkzeug 2.2, welches auf seiner inneren Wandfläche 5 eine der Kontur (beispielsweise rotationssymmetrisch) des gewünschten Werkstück-Durchbruches entsprechende Ausformung 6 aufweist. In deren mittlerem Bereich ragt durch eine Bohrung 7 im Unterwerkzeug 2.2 ein mittels Druckkraft F_s beaufschlagbarer Stößel 8 in die Ausformung 6 hinein, wobei dessen Stirnfläche 9 (mit abgerundeter Umfangskante) dem Werkstück 1 während der Herstellung des Durchbruches als Stützfläche dient.
• Die Stirnfläche 9 begrenzt die Werkstoffstreckung in diesem Bereich und erhöht gleichzeitig die Werkstoffstreckung im frei tragenden Bereich der Ausformung 6.
• Eine umlaufende Kante 10 der Ausformung 6 ist scharfkantig ausgeführt (90°) und dient insoweit als Schnittkante. Desweiteren ist nahe dieser Kante 10 die innere Wandfläche 5 des Unterwerkzeuges 2.2 mit ebenfalls umlaufenden zackenförmigen Erhebungen 13 ausgestattet, die als Bremskonturen wirken und ein Nachfliesen des Werkstück-Werkstoffes verhindern sollen, um das Einreißen der Werkstückwandung entlang der Schnittkante (Kante 10) bei Erreichen eines bestimmten Innendruckes P_i zu begünstigen.
• Dabei kommt es bei zunehmendem Innendruck p_i zu einem verstärktem Einschneiden des Werkstoffes. Außerdem ist in der Schneidkanteneinflußzone ein gleichmäßiger Festigkeitszustand gegeben, so daß an der Kante 10 die Beanspruchung steigt. Ist der Werkstoff etwa in der Größenordnung 1/3 s (s = Werkstück-Wandstärke) eingeschnitten, so kommt es zum Bruch.
• Ist die Ausformung 6 kreisförmig (Durchmesser D), so sollte bezüglich des Stößelquerschnittes d etwa ein Verhältnis von d/D = 1/3 eingehalten werden, wobei das genaue Verhältnis insbesondere von Werkstück-Werkstoff und -Wandstärke abhängig und entsprechend zu wählen ist.
• Der Abstand T, um den die Stirnfläche 9 des Stößels 8 gegenüber der inneren Wandfläche 5 des Unterwerkzeuges 2.2 zurückversetzt ist, ist unter Berücksichtigung der Durchmesser d, D und der Werkstoffeigenschaften (maximale Bruchdehnung δ in %) des Werkstückes 1 zu wählen.
• Höhe und Fußbreite der zackenförmigen Erhebungen 13 sollten in etwa der Wandstärke s des Werkstückes 1 entsprechen. Im Übergangsbereich zwischen Mantelfläche 14 und Stirnfläche 9 des Stößels 8 sollte eine Rundung vorhanden sein, deren Radius R mindestens der Werkstückwandstärke s entsprechen sollte. Für die Ausformung 6 ist eine Tiefe T₁ zu wählen, für die zumindest gelten sollte: T₁ ≧ 1,5 T.
• Der Stößel 8 dient gleichzeitig als Auswerfer, da es durchaus passieren kann, daß beim Bruch des auszuschneidenden Werkstückbereiches sich dieser innerhalb der Ausformung 6 verklemmt. Das Auswerfen erfolgt vor oder während des Öffnens von Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 durch eine entsprechende mechanische Einrichtung, die den Stößel 8 betätigt. Dabei könnte die Werkzeug-Öffnungsbewegung genutzt werden, um die Stößelbewegung einzuleiten. Selbstverständlich könnte das Auswerfen auch in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgen.
• Soweit die in das Werkstück 1 einzubringende Durchbrechung ein gewisses Maß (z. B. ø < 8 mm) unterschreitet, könnte gegebenenfalls auf ein Stützelement verzichtet werden. Für eine kreisförmige Ausformung sollte dann T ≧ D eingehalten werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes, dadurch gekennzeichent,

   - daß das Werkstück (1) in ein eine durch Einwirken von Verformungskräften hervorrufbare Aufweitung begrenzendes Formwerkzeug (2) eingesetzt wird, welches im Bereich des vorgesehenen Durchbruches mit einer Ausformung (6) mit einer dem Durchbruch entsprechenden Randkontur versehen ist,

   - daß der Hohlraum (3) des Werkstückes (1) mit einem Wirkmedium bis zu einem das Einschneiden der Werkstückwandung entlang einer Kante (10) der Ausformung (6) bewirkenden Inndendruck (p_i) beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Durchbruches während eines Umformens des Werkstückes (1) unter Anwendung des Innenhochdruckumformverfahrens erfolgt.
3. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Werkstück (1) aufnehmende Ober- und Unterwerkzeuge (2.1, 2.2) mit einer Wirkmedium-Zuflußöffnung (4) und einer im Bereich des vorgesehenen Durchbruches angeordneten Ausformung (6), wobei der Übergang von einer inneren Werkzeug-Wandfläche (5) zur Ausformung (6) scharfkantig ist (Kante 10) und nahe dieser die Wandfläche (5) mit nach innen ragenden, entlang der Kante (10) verlaufenden zackenförmigen Erhebungen (13) ausgestattet ist.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der Ausformung (6) durch eine Bohrung (7) des Unterwerkzeuges (2.2) ein Stößel (8) in die Ausformung (6) hineinragt, dessen Stirnfläche (9) das sich in diesem Bereich verformende Werkstück (1) abstützt.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (8) als Auswerfer dient und von einer Druckkraft F_s beaufschlagbar ist.
6. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei kreisförmigem Querschnitt von Stößel (8) und Ausformung (6) das Verhältnis d : D ≈ 1:3 ist, wobei d der Stößeldurchmesser und D der Ausformungsdurchmesser ist.
7. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Mantelfläche (14) des Stößels (8) zu dessen Stirnfläche (9) eine Rundung aufweist, für deren Radius R die Beziehung gilt:
   
   $\text{R ≧ 1 x s}$

   

   
   
   wobei s die Werkstück-Wandstärke ist.
8. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Tiefe T₁ der Ausformung (6) die Beziehung gilt:
   
   $\text{T₁ ≧ 1,5 x T}$

   

   
   
   wobei T das Maß darstellt, um welches die Stößel-Stirnfläche (9) gegenüber der inneren Wandfläche (5) des Werkstückes (1) zurückversetzt ist.
9. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kreisförmigen Ausformung (6) deren Tiefe T₁ stets größer ist, als ihr Durchmesser D.
10. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zackenförmigen Erhebungen (13) jeweils eine Höhe und eine Fußbreite aufweisen, die höchstens der Werkstück-Wandstärke s entsprechen.

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