EP1611973B1 - Verfahren zum Umformen von Rohrelementen und Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen - Google Patents

Verfahren zum Umformen von Rohrelementen und Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen Download PDF

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EP1611973B1
EP1611973B1 EP05014313A EP05014313A EP1611973B1 EP 1611973 B1 EP1611973 B1 EP 1611973B1 EP 05014313 A EP05014313 A EP 05014313A EP 05014313 A EP05014313 A EP 05014313A EP 1611973 B1 EP1611973 B1 EP 1611973B1
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EP
European Patent Office
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tubular element
die
mandrel
recess
plastic deformation
Prior art date
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EP05014313A
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English (en)
French (fr)
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EP1611973A1 (de
Inventor
Bernhard Prof. Dr.-Ing. Adams
Eberhard Dr.-Ing. Rauschnabel
Karsten Dipl.-Ing. Juhr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ifutec Ingenieurbuero fur Umformtechnik GmbH
Stiftung Fachhochschule Osnabrueck
Original Assignee
Ifutec Ingenieurbuero fur Umformtechnik GmbH
Stiftung Fachhochschule Osnabrueck
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/20—Making helical or similar guides in or on tubes without removing material, e.g. by drawing same over mandrels, by pushing same through dies ; Making tubes with angled walls, ribbed tubes and tubes with decorated walls
    • B21C37/205—Making helical or similar guides in or on tubes without removing material, e.g. by drawing same over mandrels, by pushing same through dies ; Making tubes with angled walls, ribbed tubes and tubes with decorated walls with annular guides
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    • 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
    • B21D53/00—Making other particular articles
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    • B21D53/845—Making camshafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/12—Making machine elements axles or shafts of specially-shaped cross-section
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    • B21K23/00—Making other articles
    • B21K23/04—Making other articles flanged articles

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming pipe elements with a collar and a method for producing hollow shafts with a flange.
  • Hollow shafts with an inner flange are turned in an already known manner, for example, from the solid or hollow on the inside starting from a forged blank.
  • an outside flange can be incorporated with, but said methods have the disadvantage of a considerable cost of materials or chip waste.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned, which allows an easy feasible plastic deformation of prefabricated tubular elements for the production of semi-finished parts with an extended collar. It is another object of the invention to provide a method with which in a particularly simple manner and in small quantities cost-effectively manufacturable hollow shafts with an extended flange can be provided.
  • the object is achieved by a method for reshaping tubular elements, in which in one method step a tubular element is introduced into a die surrounding the tubular element on the outside, the die having different cross-sectional dimensions at axially spaced locations such that on the female side a tubular element facing recess is formed in a method step, a mandrel is inserted into the tubular element, in a subsequent step, the tube member compressed in the axial direction and at least partially plastically deformed and in a process step, the geometry, in particular an axial extension of the recess is changed.
  • tube elements preferably short, in particular thick-walled tubes are provided which have a circular cylindrical cross-section.
  • the method according to the invention is also applicable to non-rotationally symmetrical tubular elements.
  • a pipe element is used in the inventive method with the least possible play in the die, wherein the mandrel passes through the pipe element with little play.
  • the respective tubular element is plastically deformed in a first phase such that material of the tubular element penetrates into the recess.
  • the geometry or the dimensions of the recess thereby determine the extent of the plastic deformation of the tubular element;
  • a change in the geometry of the recess allows targeted influencing and leadership of the forming process.
  • an enlargement of the axial and / or radial extent of the recess initially permits a limited and then in a second phase of the process during the forming process Compression and forming process an expanded deformation of the tubular element, wherein a smaller in the first phase extension of the recess helps prevent buckling and wrinkling on the part of the tubular element.
  • an enlarged extension of the recess in the course of the forming process (second phase) makes it possible to produce an extended bead or flange on the tubular element by means of plastic deformation (for example extrusion) of the same.
  • the die is made in two parts and divided into a first female part and a second female part.
  • the die parts can thus be separated from each other and allow an easy detachment from the pipe element. This is especially true if the recess is provided in the region of the parting surface of the two die parts, and an outside collar produced by means of the method is arranged in the region of the parting surface of the die parts and preferably in a middle section of the tubular element.
  • the die parts may be mechanically or otherwise releasably connected to each other during at least one process step.
  • the first mold part is adjusted against the second mold part in a phase of plastic deformation of the tubular element, wherein in particular at the beginning of a phase of the plastic deformation of the tubular element, a gap between the first mold part and the second mold part is provided. Due to the adjustment path (gap) between the die parts, the forces required during the forming process and the deformation behavior of the tubular element can be influenced in the first phase of the forming process. In particular, an enlarged gap will favor the flow of material from the pipe member outward and a reduced gap favoring the flow of material inside.
  • a change in the geometry, in particular the axial extent of the recess is brought about with the help of the adjustment of the die parts against each other at the same time.
  • the recess is preferably arranged in the region of the separating surface of the two die parts and / or in the gap between the die parts. Accordingly, in this case, the geometry of the recess is changed by the adjustment of the die parts against each other. As a result, for example, a further plastic deformation of the displaced material in the recess can be achieved.
  • one or more spacers can be provided, via which forces can be transferred from one die part to the other.
  • the forming process performs in a phase of plastic deformation of the tubular element of the second mold part the same movement as the first mold part.
  • the die parts preferably form a unit that defines the shape of the tube element after this phase of the forming precisely outlined.
  • the mandrel has different cross-sectional dimensions at axially spaced locations such that a depression facing the tubular element is formed on the mandrel.
  • a displacement of material takes place both in the recess and in the recess, whereby a tubular element can be formed which has both an outwardly projecting collar portion as well as having an inwardly projecting collar portion.
  • the tube element is compressed in the axial direction and at least partially plastically deformed, wherein at the same time die and mandrel are adjusted relative to one another in a method step.
  • a recess on the part of the die and a recess on the part of the mandrel can be advantageously provided to each other in a second or third phase of the compression and deformation process, a relative displacement of the die and mandrel.
  • the recess and the recess are adjusted against each other, so that in the recess and / or in the recess penetrated material is further transformed.
  • the mandrel is made in two parts and divided into a first mandrel part and a second mandrel part.
  • the mandrel parts can thus be separated from each other and allow an easy removal from the tube element. This is especially true when the recess is provided in the region of the parting surface of the two mandrel parts, and an inner collar produced by means of the method is arranged in the region of the parting surface of the mandrel parts, preferably in a middle region of the tubular element.
  • the mandrel parts can be connected to one another mechanically or in other ways releasably during at least one method step.
  • a female part is supported during the plastic deformation of the tubular element in the axial direction by means of a first spring element. This is a corresponding to the spring force of the first Spring element variable support force impressed on the female part.
  • the first spring element is adjustable in terms of its spring properties, in particular adjustable in terms of its spring force and / or configured convertible into a non-resilient state.
  • the first spring element for this purpose is associated with a detent, which may, however, also be configured as a separate brake.
  • a separately controllable hydraulic or pneumatic spring is providable.
  • a mandrel part is supported during the plastic deformation of the tubular element in the axial direction by means of a second spring element.
  • a mandrel part is coupled via the second spring element with a female part or with a fixed frame.
  • a second spring element is a hydraulic, pneumatic and / or mechanical spring providable.
  • the pipe element is at least partially heated before the plastic deformation and / or thermally weakened.
  • a thermal weakening of the tubular element is preferably carried out via a direct local or even complete heating of the tubular element itself and / or also of the forming tool, which can transfer heat to the tubular element.
  • the object is further achieved by a method for the production of hollow shafts, in which in a method step on a tubular element by plastic deformation of the tubular element, in particular by upsetting, a collar is produced, which represents an annular wall thickening on the tubular element, and in a subsequent process step by means of a pipe element On the outside, the center of gravity of an outer collar portion is displaced axially relative to a center of gravity of the tubular member and / or an inner collar portion, wherein the tubular member is simultaneously axially compressed.
  • the tubular element is preferably at least partially supported on the outside and preferably also on the inside with little play over the entire duration of the forming process, so that the flow of the tube element material is selectively guided or conducted during the forming process.
  • a material flow can be generated in the region of the outside collar portion and possibly also in the region of the inside collar portion, both directed radially outward and radially inward.
  • an outer and possibly also an inner flange can be formed on the tubular element in a uniform forming process.
  • a targeted local or complete heating of the tubular element can be used to further influence the material flow during the forming process. In particular, can be controlled by a targeted local heating of the tubular element before the forming process, the axial positioning and extension of the inside collar portion.
  • both sections are plastically deformed during the axial displacement of the outside collar portion relative to the inside collar portion. This results in a locally particularly high degree of deformation, which allows the formation of various details on the pipe element. In particular, a generation of an inner flange is made possible, which requires no further substantial reworking and can have a variety of predetermined shapes.
  • the tube element is supported on the inside by a mandrel, which is associated with a depression, which allows for an axial displacement of the inside collar portion relative to the mandrel and defines the other to be achieved shape of the inside collar portion.
  • An axial displacement of the inside collar portion relative to the mandrel is especially foreseeable during the forming process, if and as long as the inside collar portion in turn off or reshaped and changed.
  • the tube element is finished by machining on the outside after the plastic deformation.
  • the coiler section can be given a coarser shape in the preceding forming steps, with a fine machining operation providing a desired outer geometry of the hollow shaft.
  • the tube element is heated locally and / or thermally weakened before the plastic deformation locally, in particular in the region of a collar to be produced.
  • the flow of material in the pipe element is mainly influenced for shaping the inside collar section.
  • Fig. 1 is a forming tool for the plastic deformation of a tubular element 5 shown schematically. The entire arrangement is approximately rotationally symmetrical with respect to the axis Z formed.
  • the forming tool comprises a die which is divided into a first die part 1 and a second die part 2.
  • the forming tool further comprises a mandrel 3, 4, which is divided into a first mandrel part 3 and a second mandrel part 4.
  • Mandrel and die are inserted into a pressing tool 6, 7, wherein the first die part 1 with a movable press ram 7 and the second mandrel part 4 is coupled to a stationary press counter-holder 6.
  • the press counterholder is fixed on a press table or stand to be regarded as inertial (not shown in detail).
  • an induction heater is provided for heating the tubular element in a manner not shown.
  • the tubular element 5 is designed, for example, as a seamlessly formed or welded blank made of a chromium- and molybdenum-containing steel and has a preferably annular cross-section.
  • the tube element 5 has a greater to medium wall thickness, wherein the method according to the invention can be advantageously carried out in particular in tubular elements with a ratio of diameter to wall thickness of about 7: 1.
  • welded tube elements with a wall thickness of approx. 8 mm in addition to smaller tube diameters, diameters of more than 50 mm can be realized.
  • the die 1, 2 surrounds the tubular element 5 on the outside with little play.
  • an annular circumferential recess A is provided with a width b, which has a changed or reduced cross-section with respect to other, axially spaced regions of the die .
  • the recess A is arranged facing the tubular element on the inside of the die and can have different inner contours and dimensions as needed. How out Fig. 1 it can be seen, the recess is located directly on a parting surface T of the two die parts 1, 2, so that the recess A is bounded on several sides by the second die part 2 and at least one side of the first die part 1. At the recess A, the pipe element is not supported on the outside.
  • a gap t which is formed at the beginning of the forming process according to the invention between the die parts 1, 2 and, as it were, additionally increases the width b of the recess A.
  • the tube member 5 is also not supported on the outside.
  • the gap t can be varied or adjusted in size as needed before the forming process is carried out.
  • a plurality of annular, axially spaced-apart recesses are provided in the die; Axially divisible die parts are preferably provided here.
  • one or more annular insert elements are provided in the recess for changing the cross-sectional shape of the recess.
  • a recess extends only over a part of the circumference of the tubular element, wherein preferably a plurality of recesses may be distributed uniformly over the circumference of the tubular element.
  • the second die part 2 is in principle axially (ie along the line Z) slidably mounted, but fixed at the beginning of the forming process by means of a lock.
  • a lock can be integrated into a spring element 8, wherein the second die part 2 can be pressed against the first die part 1 with the force S of the spring 8 via the spring element 8 (cf. Fig. 2 ).
  • the spring element 8 is preferably designed as an adjustable hydraulic or pneumatic spring, so that the spring properties of the spring element 8 are variable. In particular, the spring force S of the spring element 8 would thus be freely adjustable.
  • the mandrel or the two mandrel parts 3, 4 pass through the tubular element 5 on the inside with little play, so that they hold the tubular element 5 corresponding to the die at a defined location in the pressing tool 6, 7. Between the mandrel parts 3, 4 extends a separation surface D, at which the mandrel parts 3, 4 releasably may be connected to each other and / or at the mandrel parts 3, 4 abutting contact.
  • the mandrel 3, 4 in a central region a groove-like depression V, which is bounded on several sides by the second mandrel part 4 and at least one side of the first mandrel part 3.
  • a gap between the mandrel parts is provided at the beginning of the method, wherein the gap further increases the depression.
  • a plurality of annular, axially spaced depressions are provided in the mandrel; Preferably, separate mandrel parts are provided here in the axial direction.
  • one or more annular insert elements are provided in the recess for changing the cross-sectional shape of the recess.
  • a depression extends only over a part of the circumference of the mandrel, wherein preferably a plurality of recesses can be uniformly distributed over the circumference of the tubular element.
  • the first mandrel part 3 is fixed to the first die part 1 via a hydraulic or pneumatic spring 9, wherein the spring travel (axial change in length of the spring) approximately corresponds to or exceeds the change in length of the tubular element 5 during the forming process according to the invention.
  • the spring 9 is integrated in the first mandrel part 3.
  • the tubular element 5 is produced as a forged or welded blank. It may be followed by further roughing steps and / or temperature treatments.
  • the tubular element 5 is locally heated to a temperature of, for example, approximately 750 ° C. in its middle region and rapidly inserted into the forming tool ( Fig. 1 ).
  • the highest temperature is to be generated according to the invention at a point C of the tubular element 5, which comes to rest in the region of the depression V.
  • the forming process can be carried out in principle cold, half warm or warm.
  • the speed of the press ram 7 or the die 1 is preferably set to a value between 20 mm / s and 30 mm / s.
  • a deformation-force-controlled process for example, a constant deformation force F of 2000 kN can be set.
  • a forming force that changes during the forming process is set.
  • UmformwegMone process is a maximum displacement of the press ram 7 and the die 1, for example, adjustable by means of mechanical Wegbegrenzer.
  • the gap t decreases because an axial movement of the female part 2 is blocked.
  • the mandrel 3, 4 penetrates under compression of the spring 9 in the female part 1 a.
  • the material of the tubular element 5 preferably flows into the recess A, but also into the depression V, so that a ring-shaped corresponding to the geometries of recess and recess Wall thickening W1, W2 arises ( Fig. 2 ).
  • the wall thickening W1, W2 represents a collar in the middle of the tubular element 5 with an outside collar section W1 and an inside collar section W2.
  • the division of the flow of material in the tube element 5 inwards or outwards is determined by presetting the gap t at the beginning of the forming process.
  • An enlargement of the gap t causes an increased flow of material to the outside, while a reduction of the gap t favors a material flow to the inside.
  • the gap t thus represents a control variable for the radial extent of the wall thickening W1, W2.
  • a subsequent method step (second phase of the forming process) the gap between the die parts 1, 2 is closed and both die parts 1, 2 are displaced together against the force S of the spring 8 relative to the mandrel 3, 4 axially (arrow c2).
  • the tube element 5 is further compressed by means of the pressing tool 6, 7.
  • the mandrel 3, 4 is thus pressed further into the female part 1, and the spring 9 is further compressed.
  • the force S of the spring 8 is kept constant during this process step.
  • the force S is continuously reduced from the beginning to the end of the method step.
  • Fig. 3 in which the final stage of the forming process according to the invention is shown, defines the die 1, 2, the (maximum) axial extent of the outside Bund section W1, wherein the latter size substantially corresponds to the width b of the recess A.
  • the depression V defines the shape of the inside collar portion W2, in particular its diameter.
  • the axial position and extension of the inside collar section W2 is preferably controlled by the initial local heating of the tubular element 5, ie in particular by its axial positioning and extension.
  • the die and mandrel parts are separated from each other and the formed tubular element 5 is removed from the forming tool.
  • the deformed tubular element 5 is machined on the outside (in particular in the region of the collar W1) by means of a turning or grinding process, for example.
  • a second embodiment of a forming tool for the plastic deformation of a tubular element 5 is shown schematically.
  • the arrangement of the various elements is provided approximately as in the above-described embodiments, so that approximately the same effect elements are provided with the same reference numerals.
  • the forming tool again comprises a die which is divided into a first die part 1 and a second die part 2 is.
  • the forming tool further comprises a mandrel 3, 4, which is divided into a first mandrel part 3 and a second mandrel part 4 with a contact surface D between the mandrel parts.
  • an undivided mandrel is provided.
  • the first mandrel part 3 is fixed to the first die part 1 via a hydraulic or pneumatic spring 9, wherein the spring travel approximately corresponds to or exceeds the change in length of the tubular element 5 during the forming process according to the invention.
  • the second die part 2 is mounted axially displaceably along the line Z, wherein the second die part 2 is pressed against the first die part 1 via a spring element 8 with the force S of the spring 8.
  • the spring element 8 is preferably designed as an adjustable hydraulic or pneumatic spring, so that the spring properties of the spring element 8 are variable. Thus, the spring force S of the spring element 8 is adjustable.
  • Mandrel and die are inserted into a pressing tool 6, 7, wherein the first die part 1 with a movable press ram 7 and the second mandrel part 4 is coupled to a stationary press counter-holder 6.
  • the press counter holder 6 is fixed on a press table to be regarded as inertial.
  • an induction or resistance heating for optional heating of the tubular element 5 is provided.
  • the tubular element 5 is made of a stainless steel or of an aluminum alloy and has a preferably annular cross-section.
  • the tubular element 5 has a greater to medium wall thickness, wherein the inventive method is particularly well feasible for tubular elements with a ratio of diameter to wall thickness between 5: 1 and 15: 1, in particular 7: 1.
  • the die 1, 2 surrounds the tubular element 5 on the outside with little play.
  • an annular circumferential recess A ' is provided with a width b', which has a changed or reduced cross-section with respect to other, axially spaced regions of the die.
  • the recess A ' is arranged facing the tubular element 5 on the inside of the die and can basically have different inner contours and dimensions as well as any position along the tubular element as needed. How out Fig. 4 can be seen, the recess is located directly on a parting surface T 'of the two die parts 1, 2, so that the recess A' of the second female part 2 and of the first female part 1 is limited.
  • the recess A ' provides the tubular element 5 in a forming region C an unsupported, in this case approximately conical clearance.
  • the recess A 'on the side of the second female part 2 has an elliptical or parabolic longitudinal sectional contour opening in the direction of the separating surface T'. The same may be provided in mirror image on the part of the first female part 1.
  • a first phase of the plastic deformation of the pipe element 5 the second die part 2 is moved in contact with the first die part 1, and by means of the pressing tool 6, 7, the pipe element 5 is compressed with the force F in the axial direction Z.
  • the tube element 5 (and possibly the die 1, 2) is heated, in particular in the forming region C, before forming.
  • the axial extent b' is preferably selected so that (just) no kinking, cracking or wrinkling on the part of the tubular element 5 occur or a Beginning buckling is limited by a supporting of the tubular element on the die 1, 2.
  • the radial extent of the recess A ' is carried out according to limited. At the end of The first phase of the plastic deformation results in a configuration as in Fig. 5 shown schematically. In this case, the recess A 'is approximately completely or for the most part filled by the material of the tubular element 5 and a mecanicseitger bead W3 formed on the tubular element 5.
  • the force F is reduced, and the second mold part 2 is removed (preferably together with the entire press counter holder 6) from the first mold part 1 (arrow c3).
  • a preferably annular, multi-part or one-piece spacer 10 is inserted between the contact surfaces T1 ', T2' of the die parts 1 and 2.
  • the spacer 10 has the axial extent t 'and causes in interaction with the recess A' on the part of the second female part 2, an enlargement of the free space around the tubular element 5 in the forming area C.
  • the spacer 10 represents an enlargement of the geometry of the recess A.
  • a compressive force F is again exerted on the tubular element 5, so that further material of the tubular element flows into the enlarged recess A "and the initially generated bead W3 is reshaped, thereby producing a further widened bead W3 ' whose center of gravity can be axially displaced with respect to the center of gravity of the tubular element with respect to the bead W3 after the first forming phase
  • the bead W3 has an axial extent t '+ b' which is greater than the axial extent b 'of the bead W3 has the widened bead W3 'also has a significantly enlarged radial extent r'.
  • a modified embodiment is according to the basis of the Fig. 1 to 3 illustrated first embodiment on the side of the mandrel 3, 4 provided one of the recess A 'opposite recess.
  • a further annular spacer is inserted between the contact surfaces T1 ', T2' and another forming phase is connected.
  • a further modified embodiment according to Fig. 8 is removed after the second forming phase of the spacers between the female parts 1, 2 and replaced by a modified spacer and / or another female part 11.
  • the modified spacer or the further female part 11 directly adjoins the contact surface T2 'of the second female part 2, so that a direct force transmission from the female part 2 is possible.
  • a force S ' is introduced in the axial direction onto the bead W3 "via a specific adjustment of the die part 2 in the direction of the arrow c4, whereby the bead W3" can be selectively flattened or provided with a profiling N (rotationally symmetric or non-rotationally symmetrical)
  • the spacer is removed after the second forming phase, and the bead is flattened or profiled by axial pressing only by means of the corresponding in the region of their contact surfaces T1 ', T2' corresponding female parts.
  • the method according to the invention can be produced in a particularly simple and cost-effective manner by compression extrusion or a similar process in the cold, semi-warm or warm state beads, wall thickening and flanges of tubular elements.
  • particularly extensive geometries can be achieved both in the axial and in the radial direction, which makes the method according to the invention interesting for a wide range of applications.
  • all types of hollow shafts can be produced which comprise a flange, conical or collar element on the outside and / or inside and have a particularly good fatigue behavior without the joining process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Rohrelementen mit einem Bund sowie ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen mit einem Flansch.
  • Hohlwellen mit einem innenseitigen Flansch werden in bereits bekannter Weise beispielsweise aus dem Vollen gedreht oder ausgehend von einem vorgeschmiedeten Rohteil innenseitig hohlgedreht. Dabei kann ein außenseitiger Flansch mit eingearbeitet werden, wobei die genannten Verfahren jedoch den Nachteil eines erheblichen Materialaufwandes bzw. Späneabfalls haben.
  • Des Weiteren besteht die an sich bekannte Möglichkeit des Kaltfließpressens zur Herstellung von Hohlwellen oder Rohrelementen mit einem Bund oder Flansch. Hierbei sind in Abhängigkeit von der Geometrie der herzustellenden Bauteile ggf. erhebliche Kräfte zur Umformung erforderlich, die wiederum kostenintensive und aufwändige Umformwerkzeuge erfordern.
  • Ferner ist aus der EP 1 024 913 B1 ein Innenhochdruck-Verfahren zum Umformen von Rohrelementen und zum nachfolgenden Herstellen von hohlen Nockenwellen bekannt, bei dem ein Rohrelement in einer Aufnahme angeordnet ist. Mittels einer unter Überdruck gesetzten, ins Innere des Rohrelements geführten Hydraulikflüssigkeit sowie mittels eines in axialer Richtung des Rohrelements wirkenden Hydraulikzylinders, über den das Rohrelement gestaucht wird, kann das Rohrelement plastisch umgeformt werden, wobei eine übermäßige Reduzierung der Wandstärke des Rohrelements vermieden wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine einfach durchführbare plastische Umformung von vorgefertigten Rohrelementen zur Herstellung von Halbfertigteilen mit einem ausgedehnten Bund ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf besonders einfache Weise auch in geringen Stückzahlen kostengünstig herstellbare Hohlwellen mit einem ausgedehnten Flansch zur Verfügung gestellt werden können.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Umformen von Rohrelementen, bei dem in einem Verfahrensschritt ein Rohrelement in eine das Rohrelement außenseitig umgreifende Matrize eingebracht wird, wobei die Matrize an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an der Matrize innenseitig eine dem Rohrelement zugewandte Ausnehmung gebildet ist, in einem Verfahrensschritt ein Dorn in das Rohrelement eingesetzt wird, in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Rohrelement in axialer Richtung gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird sowie in einem Verfahrensschritt die Geometrie, insbesondere eine axiale Erstreckung der Ausnehmung verändert wird.
  • Als Rohrelemente sind bevorzugt kurze, insbesondere dickwandige Rohre vorgesehen, die einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße verfahren auch auf nicht rotationssymmetrische Rohrelemente anwendbar. Ein Rohrelement wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit möglichst geringem Spiel in die Matrize eingesetzt, wobei der Dorn das Rohrelement mit kleinem Spiel durchgreift. Bei einem Stauchungsvorgang wird das jeweilige Rohrelement in einer ersten Phase derart plastisch umgeformt, dass Material des Rohrelements in die Ausnehmung eindringt. Die Geometrie bzw. die Abmessungen der Ausnehmung bestimmen dabei den Umfang der plastischen Umformung des Rohrelements; somit ermöglicht eine Veränderung der Geometrie der Ausnehmung eine gezielte Beeinflussung und Führung des Umformprozesses. Insbesondere eine Vergrößerung der axialen und/oder radialen Erstreckung der Ausnehmung gestattet während des Umformverfahrens zunächst eine eingeschränkte und anschließend in einer zweiten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges eine erweiterte Umformung des Rohrelements, wobei eine in der ersten Phase kleinere Erstreckung der Ausnehmung ein Ausknicken und eine Faltenbildung seitens des Rohrelements vermeiden hilft. Eine im Verlauf des Umformverfahrens (zweite Phase) vergrößerte Erstreckung der Ausnehmung ermöglicht hingegen eine Erzeugung eines ausgedehnten Wulstes bzw. Flansches an dem Rohrelement durch plastisches Umformen (z.B. Fließpressen) desselben.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens ist die Matrize zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Matrizenteil sowie einen zweiten Matrizenteil unterteilt. Die Matrizenteile lassen sich somit voneinander trennen und ermöglichen eine zwanglose Ablösung vom Rohrelement. Dies gilt insbesondere, wenn die Ausnehmung im Bereich der Trennfläche der beiden Matrizenteile vorgesehen ist, und ein mit Hilfe des Verfahrens erzeugter außenseitiger Bund im Bereich der Trennfläche der Matrizenteile und vorzugsweise in einem mittleren Abschnitt des Rohrelements angeordnet ist. Bei Bedarf können die Matrizenteile während wenigstens eines Verfahrensschrittes mechanisch oder auf andere Weise lösbar miteinander verbunden sein.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens wird in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements der erste Matrizenteil gegen den zweiten Matrizenteil verstellt, wobei insbesondere zu Beginn einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements ein Spalt zwischen dem ersten Matrizenteil und dem zweiten Matrizenteil vorgesehen ist. Durch den Verstellweg (Spalt) zwischen den Matrizenteilen können die während des Umformungsprozesses erforderlichen Kräfte und das Umformverhalten des Rohrelements in der ersten Phase des Umformvorganges beeinflusst werden. Insbesondere bewirkt ein vergrößerter Spalt eine Begünstigung des Stoff-Flusses seitens des Rohrelements nach außen und ein reduzierter Spalt eine Begünstigung des Stoff-Flusses nach innen.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens wird mit Hilfe der Verstellung der Matrizenteile gegeneinander zugleich eine Veränderung der Geometrie, insbesondere der axialen Erstreckung der Ausnehmung herbeigeführt wird. Dabei ist vorzugsweise die Ausnehmung im Bereich der Trennfläche der beiden Matrizenteile und/oder in dem Spalt zwischen den Matrizenteilen angeordnet. Entsprechend wird in diesem Fall die Geometrie der Ausnehmung durch die Verstellung der Matrizenteile gegeneinander verändert. Dadurch kann beispielsweise eine weitere plastische Umformung des in die Ausnehmung verdrängten Materials erreicht werden. In dem Spalt zwischen den Matrizenteilen können einer oder mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, über die Kräfte von einem Matrizenteil auf den jeweils anderen übertragbar sind.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens vollführt in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements der zweite Matrizenteil dieselbe Bewegung wie der erste Matrizenteil. Die Matrizenteile bilden dabei vorzugsweise eine Einheit, die die Form des Rohrelementes nach dieser Phase des Umformvorgangs genau umrissen festlegt.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens weist der Dorn an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart auf, dass an dem Dorn eine dem Rohrelement zugewandte Vertiefung gebildet ist. Spätestens in einer zweiten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges erfolgt dabei eine Verdrängung von Material sowohl in die Ausnehmung als auch in die Vertiefung, wodurch ein Rohrelement gebildet werden kann, das sowohl einen nach außen abragenden Bundabschnitt als auch einen nach innen ragenden Bundabschnitt aufweist.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens wird in einem Verfahrensschritt das Rohrelement in axialer Richtung gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt, wobei zugleich Matrize und Dorn relativ zueinander verstellt werden. Bei einem Vorsehen sowohl einer Ausnehmung seitens der Matrize als auch einer Vertiefung seitens des Dorns kann in einer zweiten oder dritten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges vorteilhafterweise eine relative Verstellung von Matrize und Dorn zueinander vorgesehen sein. Dabei werden auch die Ausnehmung und die Vertiefung gegeneinander verstellt, so dass in die Ausnehmung und/oder in die Vertiefung eingedrungenes Material weiter umgeformt wird.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens ist der Dorn zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Dornteil sowie einen zweiten Dornteil unterteilt. Die Dornteile lassen sich somit voneinander trennen und ermöglichen eine zwanglose Entnahme aus dem Rohrelement. Dies gilt insbesondere, wenn die Vertiefung im Bereich der Trennfläche der beiden Dornteile vorgesehen ist, und ein mit Hilfe des Verfahrens erzeugter innenseitiger Bund im Bereich der Trennfläche der Dornteile, vorzugsweise in einem mittleren Bereich des Rohrelements angeordnet ist. Die Dornteile können bei Bedarf während wenigstens eines Verfahrensschrittes mechanisch oder auf andere Weise lösbar miteinander verbunden sein.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens ist ein Matrizenteil während der plastischen Umformung des Rohrelements in axialer Richtung mittels eines ersten Federelementes abgestützt. Damit ist eine entsprechend der Federkraft des ersten Federelements veränderliche Abstützkraft auf den Matrizenteil aufgeprägt.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Umformverfahrens ist das erste Federelement hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbar, insbesondere hinsichtlich seiner Federkraft verstellbar und/oder in einen nicht federnden Zustand überführbar ausgestaltet. Vorzugsweise ist dem ersten Federelement hierzu eine Arretierung zugeordnet, die allerdings auch als separate Bremse ausgestaltet sein kann. Als besonders einfach hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbares Federelement ist eine gesondert ansteuerbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder vorsehbar. In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens ist ein Dornteil während der plastischen Umformung des Rohrelements in axialer Richtung mittels eines zweiten Federelementes abgestützt. Vorzugsweise ist ein Dornteil über das zweite Feder-element mit einem Matrizenteil oder mit einem feststehenden Rahmen gekoppelt. Als zweites Federelement ist eine hydraulische, pneumatische und/oder mechanische Feder vorsehbar. In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens wird das Rohrelement vor der plastischen Umformung wenigstens abschnittsweise erwärmt und/oder thermisch geschwächt. Eine thermische Schwächung des Rohrelements erfolgt vorzugsweise über eine direkte lokale oder auch vollständige Erwärmung des Rohrelements selbst und/oder auch des Umformwerkzeugs, welches Wärme auf das Rohrelement transferieren kann.
  • Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen, bei dem in einem Verfahrensschritt an einem Rohrelement durch plastische Umformung des Rohrelements, insbesondere durch Stauchen, ein Bund hergestellt wird, der an dem Rohrelement eine ringförmige Wandverdickung darstellt, und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mittels einer das Rohrelement außenseitig umgreifenden Matrize der Schwerpunkt eines außenseitigen Bundabschnittes relativ zu einem Schwerpunkt des Rohrelements und/oder einem innenseitigen Bundabschnitt axial verschoben wird, wobei das Rohrelement gleichzeitig axial gestaucht wird. Das Rohrelement ist vorzugsweise über die gesamte Dauer des Umformvorgangs wenigstens abschnittsweise außenseitig und bevorzugt auch innenseitig mit kleinem Spiel abgestützt, so dass der Fluss des Rohrelement-Werkstoffs während des Umformvorgangs gezielt geführt bzw. geleitet wird. Bei einer axialen stauchung des Rohrelements und einer gleichzeitigen axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts relativ zum Schwerpunkt des Rohrelements und/oder zu einem innenseitigen Bundabschnitt kann im Bereich des außenseitigen Bundabschnitts und ggf. auch im Bereich des innenseitigen Bundabschnitts ein Werkstoff-Fluss erzeugt werden, der sowohl radial nach außen als auch radial nach innen gerichtet ist. Infolge dessen lassen sich in einem einheitlichen Umformprozess ein äußerer und ggf. auch ein innerer Flansch an dem Rohrelement ausformen. Eine gezielte lokale oder vollständige Erwärmung des Rohrelements kann zu einer weiteren Beeinflussung des Werkstoff-Flusses während des Umformvorgangs herangezogen werden. Insbesondere lässt sich durch eine gezielte lokale Erwärmung des Rohrelements vor dem Umformvorgang die axiale Positionierung und Erstreckung des innenseitigen Bundabschnitts steuern.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden während der axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts relativ zu dem innenseitigen Bundabschnitt beide Abschnitte plastisch umgeformt. Es ergibt sich dabei ein lokal besonders hoher Umformgrad, der die Ausformung verschiedener Details an dem Rohrelement ermöglicht. Insbesondere ist eine Erzeugung eines innenseitigen Flansches ermöglicht, der keiner weiteren wesentlichen Nachbearbeitung bedarf und verschiedenste vorgebbare Formen aufweisen kann.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement innenseitig von einem Dorn gestützt, dem eine Vertiefung zugeordnet ist, die zum einen eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts relativ zum Dorn ermöglicht und zum anderen die zu erzielende Form des innenseitigen Bundabschnitts definiert. Eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts relativ zum Dorn ist während des Umformvorganges insbesondere dann vorsehbar, wenn und solange der innenseitige Bundabschnitt seinerseits aus- bzw. umgeformt und verändert wird.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement nach der plastischen Umformung außenseitig spanend endbearbeitet. In diesem Fall kann bei den vorangegangenen Umformschritten dem außenseitigen Bundabschnitt eine gröbere Form gegeben werden, wobei eine spanende Feinbearbeitung für eine gewünschte Außengeometrie der Hohlwelle sorgt.
  • In weiterer bevorzugten Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement vor der plastischen Umformung lokal, insbesondere im Bereich eines zu erzeugenden Bunds, erwärmt und/oder thermisch geschwächt. Damit wird der Stoff-Fluss im Rohrelement vor allem zur Formung des innenseitigen Bundabschnitts beeinflusst. Es sind Temperaturen von ca. 100°C bis hin zur Rekristallisationstemperatur des jeweiligen Werkstoffs, bei Stählen vorzugsweise Temperaturen um 750°C vorgesehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der anschließenden Beschreibung und aus den Zeichnungen.
  • Hierzu zeigen
    • Fig. 1
    schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umform-bzw. Herstellungsverfahrens in einer ersten Arbeitsposition,
    Fig. 2
    die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer zweiten Arbeitsposition,
    Fig. 3
    die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer dritten Arbeitsposition,
    Fig. 4
    schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umform-bzw. Herstellungsverfahrens in einer ersten Arbeitsposition,
    Fig. 5
    die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer zweiten Arbeitsposition,
    Fig. 6
    die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer dritten Arbeitsposition,
    Fig. 7
    die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer vierten Arbeitsposition und
    Fig. 8
    die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer fünften Arbeitsposition.
  • In Fig. 1 ist ein Umformwerkzeug zur plastischen Umformung eines Rohrelements 5 schematisch dargestellt. Die gesamte Anordnung ist dabei in etwa rotationssymmetrisch bezüglich der Achse Z ausgebildet. Das Umformwerkzeug umfasst eine Matrize, die in einen ersten Matrizenteil 1 und einen zweiten Matrizenteil 2 geteilt ist. Das Umformwerkzeug umfasst ferner einen Dorn 3, 4, der in einen ersten Dornteil 3 und einen zweiten Dornteil 4 unterteilt ist. Dorn und Matrize sind in ein Presswerkzeug 6, 7 eingesetzt, wobei der erste Matrizenteil 1 mit einem beweglichen Pressenstößel 7 und der zweite Dornteil 4 mit einem ortsfesten Pressengegenhalter 6 gekoppelt ist. Der Pressengegenhalter ist auf einem als inertial anzusehenden Pressentisch bzw. -ständer fixiert (nicht näher dargestellt).
  • Ferner ist in nicht näher dargestellter Weise eine Induktionsheizung zur Erwärmung des Rohrelements vorgesehen.
  • Das Rohrelement 5 ist beispielsweise als nahtlos erformtes oder geschweißtes Rohteil aus einem chrom- und molybdänhaltigen Stahl ausgeführt und weist einen bevorzugt kreisringförmigen Querschnitt auf. Das Rohrelement 5 weist eine größere bis mittlere Wandstärke auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei Rohrelementen mit einem Verhältnis Durchmesser zu Wandstärke von ca. 7 : 1 vorteilhaft ausführbar ist. Bei der Verwendung von geschweißten Rohrelementen mit einer wandstärke von ca. 8 mm können also neben kleineren Rohrdurchmessern auch Durchmesser von über 50 mm realisiert werden.
  • Die Matrize 1, 2 umgreift das Rohrelement 5 außenseitig mit geringem Spiel. In einem mittleren Bereich des Rohrelements 5, der benachbart positioniert ist zum mittleren Bereich der Matrize 1, 2, ist eine ringförmig umlaufende Ausnehmung A mit einer Breite b vorgesehen, die einen gegenüber anderen, axial beabstandeten Bereichen der Matrize einen geänderten bzw. reduzierten Querschnitt aufweist. Die Ausnehmung A ist dem Rohrelement zugewandt an der Innenseite der Matrize angeordnet und kann je nach Bedarf unterschiedliche Innenkonturen und Abmessungen aufweisen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich die Ausnehmung direkt an einer Trennfläche T der beiden Matrizenteile 1, 2, so dass die Ausnehmung A an mehreren Seiten von dem zweiten Matrizenteil 2 und an wenigstens einer Seite von dem ersten Matrizenteil 1 begrenzt ist. An der Ausnehmung A ist das Rohrelement außenseitig nicht abgestützt.
  • Im Bereich der Trennfläche T befindet sich vorzugsweise ebenfalls ein Spalt t, der zu Beginn des erfindungsgemäßen Umformverfahrens zwischen den Matrizenteilen 1, 2 gebildet ist und die Breite b der Ausnehmung A quasi zusätzlich vergrößert. Im Bereich des Spalts t ist das Rohrelement 5 ebenfalls außenseitig nicht abgestützt. Der Spalt t ist vor der Durchführung des Umformverfahrens je nach Bedarf in seiner Größe variierbar bzw. einstellbar.
  • In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der Matrize mehrere ringförmige, axial voneinander beabstandete Ausnehmungen vorgesehen; bevorzugt sind hier axial teilbare Matrizenteile vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der Ausnehmung zur Veränderung der Querschnittsform der Ausnehmung ein oder mehrere ringförmige Einsatzelemente vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Ausnehmung nur über einen Teil des Umfangs des Rohrelements, wobei bevorzugt mehrere Ausnehmungen gleichmäßig über den Umfang des Rohrelements verteilt angeordnet sein können.
  • Der zweite Matrizenteil 2 ist prinzipiell axial (d.h. entlang der Linie Z) verschieblich gelagert, zu Beginn des Umformverfahrens jedoch mittels einer Arretierung fixiert. Eine derartige Arretierung kann in ein Federelement 8 integriert sein, wobei über das Federelement 8 der zweite Matrizenteil 2 mit der Kraft S der Feder 8 gegen den ersten Matrizenteil 1 gedrückt werden kann (vgl. Fig. 2). Das Federelement 8 ist bevorzugt als verstellbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder ausgeführt, so dass die Federeigenschaften des Federelements 8 veränderbar sind. Damit wäre insbesondere die Federkraft S des Federelements 8 frei einstellbar.
  • Der Dorn bzw. die beiden Dornteile 3, 4 durchgreifen das Rohrelement 5 innenseitig mit geringem Spiel, so dass sie mit der Matrize korrespondierend das Rohrelement 5 an einem definierten Ort im Presswerkzeug 6, 7 halten. Zwischen den Dornteilen 3, 4 verläuft eine Trennfläche D, an der die Dornteile 3, 4 lösbar miteinander verbunden sein können und/oder an der die Dornteile 3, 4 berührend aneinander stoßen. Korrespondierend zur Ausnehmung A seitens der Matrize 1, 2 weist der Dorn 3, 4 in einem mittleren Bereich eine nutartige Vertiefung V auf, die an mehreren Seiten vom zweiten Dornteil 4 und an wenigstens einer Seite vom ersten Dornteil 3 begrenzt wird.
  • In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu Beginn des Verfahrens ein Spalt zwischen den Dornteilen vorgesehen, wobei der Spalt die Vertiefung zusätzlich vergrößert. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in dem Dorn mehrere ringförmige, axial voneinander beabstandete Vertiefungen vorgesehen; bevorzugt sind hier in axialer Richtung getrennte Dornteile vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der vertiefung zur Veränderung der Querschnittsform der Vertiefung ein oder mehrere ringförmige Einsatzelemente vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Vertiefung nur über einen Teil des Umfangs des Dorns, wobei bevorzugt mehrere vertiefungen gleichmaßig über den Umfang des Rohrelements verteilt angeordnet sein können.
  • Der erste Dornteil 3 ist über eine hydraulische oder pneumatische Feder 9 an dem ersten Matrizenteil 1 festgelegt, wobei der Federweg (axiale Längenänderung der Feder) in etwa der Längenänderung des Rohrelements 5 während des erfindungsgemäßen Umformverfahrens entspricht bzw. diese übersteigt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Feder 9 in den ersten Dornteil 3 integriert.
  • In einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung einer Hohlwelle wird das Rohrelement 5 als geschmiedetes oder geschweißtes Rohteil erzeugt. Es können sich weitere Grobbearbeitungsschritte und/oder Temperaturbehandlungen anschließen.
  • Nachfolgend wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, welches bevorzugt als Teil des Verfahrens zur Herstellung einer Hohlwelle angesehen werden kann, das Rohrelement 5 in seinem mittleren Bereich lokal auf eine Temperatur von beispielsweise ca. 750°C erwärmt und rasch in das Umformwerkzeug eingesetzt (Fig. 1). Die höchste Temperatur soll erfindungsgemäß an einer Stelle C des Rohrelements 5 erzeugt werden, die im Bereich der Vertiefung V zu liegen kommt. Das Umformverfahren kann jedoch grundsätzlich kalt, halb warm oder warm durchgeführt werden.
  • Mit Hilfe des Presswerkzeugs 6, 7 wird das Rohrelement 5 in axialer Richtung (entlang der Linie Z) gestaucht, und der Matrizenteil 1 wird der Umformung des Rohrelements 5 folgend in Richtung des Pfeils cl relativ zum Dorn 3, 4 und relativ zum Matrizenteil 2 verschoben (Fig. 2). Als Geschwindigkeit des Pressenstößels 7 bzw. der Matrize 1 ist bevorzugt ein Wert zwischen 20 mm/s und 30 mm/s einzustellen. Bei einem Umformkraftgesteuerten Verfahren ist beispielsweise eine konstante Umformkraft F von 2000 kN einstellbar. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des Umformverfahrens wird eine sich während des Umformverfahrens ändernde Umformkraft eingestellt. Bei einem Umformweggesteuerten Verfahren ist ein maximaler Verschiebeweg des Pressenstößels 7 bzw. der Matrize 1 zum Beispiel mit Hilfe mechanischer Wegbegrenzer einstellbar.
  • In dieser ersten Phase des Umformvorganges verkleinert sich der Spalt t, da eine axiale Bewegung des Matrizenteils 2 blockiert ist. Zugleich dringt der Dorn 3, 4 unter Zusammendrücken der Feder 9 in den Matrizenteil 1 ein. Während dieses Verfahrensschrittes fließt das Material des Rohrelements 5 bevorzugt in die Ausnehmung A, aber auch in die Vertiefung V, so dass eine entsprechend der Geometrien von Ausnehmung und Vertiefung ringförmige Wandverdickung W1, W2 entsteht (Fig. 2). Die Wandverdickung W1, W2 stellt einen Bund in der Mitte des Rohrelements 5 dar mit einem außenseitigen Bundabschnitt W1 und einem innenseitigen Bundabschnitt W2. Die Aufteilung des Stoff-Flusses im Rohrelement 5 nach innen bzw. außen wird über eine Voreinstellung des Spaltes t zu Beginn des Umformvorganges bestimmt. Eine Vergrößerung des Spaltes t bewirkt dabei einen vermehrten Stoff-Fluss nach außen, während eine Verkleinerung des Spaltes t einen Stoff-Fluss nach innen begünstigt. Der Spalt t stellt somit eine Steuergröße für die radiale Erstreckung der Wandverdickung W1, W2 dar.
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt (zweite Phase des Umformvorgangs) ist der Spalt zwischen den Matrizenteilen 1, 2 geschlossen und beide Matrizenteile 1, 2 werden gemeinsam gegen die Kraft S der Feder 8 relativ zum Dorn 3, 4 axial verschoben (Pfeil c2). Zugleich wird das Rohrelement 5 mit Hilfe des Presswerkzeugs 6, 7 weiter gestaucht. Der Dorn 3, 4 wird folglich weiter in den Matrizenteil 1 gedrückt, und die Feder 9 wird weiter komprimiert. Bevorzugt wird die Kraft S der Feder 8 während dieses Verfahrensschrittes konstant gehalten. In einem modifizierten Verfahrensschritt wird die Kraft S vom Anfang bis zum Ende des Verfahrensschrittes kontinuierlich reduziert.
  • Durch die Verschiebung der Matrize 1, 2 in Richtung des Pfeils c2 gegen den Dorn 3, 4 ergeben sich eine entgegengesetzte Bewegung von Ausnehmung A und Vertiefung V und ebenfalls eine Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts W1 relativ zum innenseitigen Bundabschnitt W2. Zugleich fließt weiteres Material in die Ausnehmung A sowie in die Vertiefung v.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, in der das Endstadium des erfindungsgemäßen Umformverfahrens dargestellt ist, definiert die Matrize 1, 2 die (maximale) axiale Erstreckung des außenseitigen Bundabschnitts W1, wobei die letztgenannte Größe im Wesentlichen der Breite b der Ausnehmung A entspricht. Die Vertiefung V definiert die Form des innenseitigen Bundabschnitts W2, insbesondere dessen Durchmesser. Die axiale Position und Erstreckung des innenseitigen Bundabschnitts W2 wird bevorzugt über die anfängliche lokale Erwärmung des Rohrelements 5, d. h. insbesondere über deren axiale Positionierung und Erstreckung gesteuert.
  • Mit dem beschriebenen Umformverfahren lassen sich unter Zuhilfenahme vergleichsweise einfacher Mittel aus einem Rohrelement endkonturnahe Halbfertigteile erzeugen, die insbesondere innenseitig nicht mehr wesentlich nachbearbeitet werden müssen.
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Matrizen- und Dornteile voneinander getrennt und das umgeformte Rohrelement 5 wird aus dem Umformwerkzeug entnommen. Anschließend wird das umgeformte Rohrelement 5 außenseitig (insbesondere im Bereich des Bunds W1) spanabhebend endbearbeitet (z.B. mittels eines Dreh- oder Schleifverfahrens. Eine innenseitige Feinbearbeitung kann besonders einfach beispielsweise mittels Sandstrahlen vorgenommen werden.
  • In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Umformwerkzeugs zur plastischen Umformung eines Rohrelements 5 schematisch dargestellt. Die Anordnung der verschiedenen Elemente ist dabei in etwa wie in den vorangehend geschilderten Ausführungsbeispielen vorgesehen, so dass in etwa gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • Das Umformwerkzeug umfasst wiederum eine Matrize, die in einen ersten Matrizenteil 1 und einen zweiten Matrizenteil 2 geteilt ist. Das Umformwerkzeug umfasst ferner einen Dorn 3, 4, der in einen ersten Dornteil 3 und einen zweiten Dornteil 4 unterteilt ist mit einer Berührfläche D zwischen den Dornteilen. Alternativ ist ein ungeteilter Dorn vorgesehen. Der erste Dornteil 3 ist über eine hydraulische oder pneumatische Feder 9 an dem ersten Matrizenteil 1 festgelegt, wobei der Federweg in etwa der Längenänderung des Rohrelements 5 während des erfindungsgemäßen Umformverfahrens entspricht bzw. diese übersteigt. Der zweite Matrizenteil 2 ist axial, entlang der Linie Z verschieblich gelagert, wobei der zweite Matrizenteil 2 über ein Federelement 8 mit der Kraft S der Feder 8 gegen den ersten Matrizenteil 1 gedrückt wird. Das Federelement 8 ist bevorzugt als verstellbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder ausgeführt, so dass die Federeigenschaften des Federelements 8 veränderbar sind. Damit ist die Federkraft S des Federelements 8 einstellbar.
  • Dorn und Matrize sind in ein Presswerkzeug 6, 7 eingesetzt, wobei der erste Matrizenteil 1 mit einem beweglichen Pressenstößel 7 und der zweite Dornteil 4 mit einem ortsfesten Pressengegenhalter 6 gekoppelt ist. Der Pressengegenhalter 6 ist auf einem als inertial anzusehenden Pressentisch fixiert. Ferner ist wiederum in nicht näher dargestellter Weise eine Induktions- oder Widerstandsheizung zur optionalen Erwärmung des Rohrelements 5 vorgesehen. Das Rohrelement 5 ist aus einem Edelstahl oder aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt und weist einen bevorzugt kreisringförmigen Querschnitt auf. Das Rohrelement 5 weist eine größere bis mittlere Wandstärke auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut bei Rohrelementen mit einem Verhältnis Durchmesser zu Wandstärke zwischen 5 : 1 und 15 : 1, insbesondere 7 : 1 durchführbar ist.
  • Die Matrize 1, 2 umgreift das Rohrelement 5 außenseitig mit geringem Spiel. In einem mittleren Bereich des Rohrelements 5, der benachbart positioniert ist zum mittleren Bereich der Matrize 1, 2, ist eine ringförmig umlaufende Ausnehmung A' mit einer Breite b' vorgesehen, die einen gegenüber anderen, axial beabstandeten Bereichen der Matrize einen geänderten bzw. reduzierten Querschnitt aufweist. Die Ausnehmung A' ist dem Rohrelement 5 zugewandt an der Innenseite der Matrize angeordnet und kann grundsätzlich je nach Bedarf unterschiedliche Innenkonturen und Abmessungen sowie jede beliebige Position entlang des Rohrelements aufweisen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, befindet sich die Ausnehmung direkt an einer Trennfläche T' der beiden Matrizenteile 1, 2, so dass die Ausnehmung A' von dem zweiten Matrizenteil 2 und von dem ersten Matrizenteil 1 begrenzt ist. Die Ausnehmung A' bietet dem Rohrelement 5 in einem Umformbereich C einen nicht abgestützten, vorliegend in etwa kegeligen Freiraum. Bevorzugt weist die Ausnehmung A' auf Seiten des zweiten Matrizenteils 2 eine sich in Richtung der Trennfläche T' öffnende elliptische oder parabolische Längsschnitt-Kontur auf. Gleiches kann spiegelbildlich auch seitens des ersten Matrizenteils 1 vorgesehen sein.
  • In einer ersten Phase der plastischen Umformung des Rohr-elements 5 wird der zweite Matrizenteil 2 berührend gegen den ersten Matrizenteil 1 gefahren, und mittels des Presswerkzeugs 6, 7 wird in axialer Richtung Z das Rohrelement 5 mit der Kraft F gestaucht. Optional wird das Rohrelement 5 (und ggf. die Matrize 1, 2) insbesondere im Umformbereich C vor der Umformung erwärmt. In Verlauf der ersten Phase der Umformung wird der Werkstoff des Rohrelements 5 in die Ausnehmung A' gedrängt, wobei insbesondere die axiale Erstreckung b' bevorzugt so gewählt ist, dass (gerade noch) keine Knickeffekte, Risse oder Faltenbildung seitens des Rohrelements 5 auftreten oder ein beginnendes Knicken durch ein Abstützen des Rohrelements an der Matrize 1, 2 begrenzt wird. Auch die radiale Erstreckung der Ausnehmung A' ist entsprechend begrenzt ausgeführt. Am Ende der ersten Phase der plastischen Umformung ergibt sich eine Konfiguration, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt. Dabei ist die Ausnehmung A' näherungsweise vollständig oder zum überwiegenden Teil vom Werkstoff des Rohrelements 5 ausgefüllt und ein außenseitger Wulst W3 an dem Rohrelement 5 gebildet.
  • Vor einer zweiten Phase der plastischen Umformung des Rohrelements 5 wird die Kraft F reduziert, und der zweite Matrizenteil 2 wird (bevorzugt mitsamt dem gesamten Pressengegenhalter 6) vom ersten Matrizenteil 1 entfernt (Pfeil c3). Anschließend wird ein bevorzugt kreisringförmiger, mehr- oder einteiliger Abstandshalter 10 zwischen die Berührflächen T1', T2' der Matrizenteile 1 und 2 eingesetzt. Der Abstandshalter 10 weist die axiale Erstreckung t' auf und bewirkt im Zusammenspiel mit der Ausnehmung A' seitens des zweiten Matrizenteils 2 eine Vergrößerung des Freiraums um das Rohrelement 5 im Umformbereich C. Anders formuliert: Der Abstandshalter 10 stellt eine Vergrößerung der Geometrie der Ausnehmung A' sowohl hinsichtlich axialer als auch hinsichtlich radialer Erstreckung sicher (vgl. Fig. 6). Zugleich kann eine axiale Verlagerung des Raummittelpunktes der vergrößerten Ausnehmung A" gegenüber der ursprünglichen Ausnehmung A' erzielt werden.
  • In einer zweiten Phase der plastischen Umformung des Rohrelements 5 wird entsprechend Fig. 7 mit Hilfe des Presswerkzeuges 6, 7 erneut eine stauchende Kraft F auf das Rohrelement 5 ausgeübt, so dass weiterer Werkstoff des Rohrelements in die vergrößerte Ausnehmung A" fließt und der zunächst erzeugte Wulst W3 umgeformt wird. Es wird dabei ein weiter verbreiterter wulst W3' erzeugt, dessen Schwerpunkt bezogen auf den Schwerpunkt des Rohrelements gegenüber dem Wulst W3 nach der ersten Umformphase axial verschoben sein kann. Der Wulst W3 weist eine axiale Erstreckung t' + b' auf, die größer ist als diejenige axiale Erstreckung b' des Wulstes W3. Ferner weist der verbreiterte Wulst W3' auch eine deutlich vergrößerte radiale Erstreckung r' auf.
  • In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist entsprechend des anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels auf Seiten des Dorns 3, 4 eine der Ausnehmung A' gegenüberliegende vertiefung vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel wird nach der zweiten Umformphase ein weiterer ringförmiger Abstandshalter zwischen die Berührflächen T1', T2' eingesetzt und eine weitere Umformphase angeschlossen.
  • In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wird nach der zweiten Umformphase der Abstandshalter zwischen den Matrizenteilen 1, 2 entfernt und durch einen modifizierten Abstandshalter und/oder einen weiteren Matrizenteil 11 ersetzt. Der modifizierte Abstandshalter bzw. der weitere Matrizenteil 11 schließt direkt an die Berührfläche T2' des zweiten Matrizenteils 2 an, so dass eine direkte Kraftübertragung vom Matrizenteil 2 her möglich ist. Anschließend wird über eine gezielte Verstellung des Matrizenteils 2 in Richtung des Pfeils c4 eine Kraft S' in axialer Richtung auf den Wulst W3" eingeleitet. Der Wulst W3" kann dadurch gezielt geplättet oder auch mit einer (rotationssymmetrischen oder nicht rotationssymmetrischen) Profilierung N versehen werden. In einem weiter modifizierten Ausführungsbeispiel wird nach der zweiten Umformphase der Abstandshalter entfernt, und der Wulst wird nur mittels der im Bereich ihrer Berührflächen T1', T2' entsprechend profilierten Matrizenteile durch axiales Pressen geplättet bzw. mit einer Profilierung versehen.
  • Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch Stauch-Fließpressen oder einen ähnlichen Vorgang im kalten, halb-warmen oder warmen Zustand Wulste, Wandverdickungen und Flansche an Rohrelementen erzeugen. Dabei sind sowohl in axialer als auch in radialer Richtung besonders ausgedehnte Geometrien erreichbar, was das erfindungsgemäße Verfahren für vielfältige Anwendungsbereiche interessant macht. Insbesondere lassen sich alle Arten von Hohlwellen herstellen, die außen- und/oder innenseitig ein Flansch-, Kegel- oder Bundelement umfassen und ohne Fügevorgang ein besonders gutes Dauerfestigkeitsverhalten aufweisen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Umformen von Rohrelementen mit einem Bund, bei dem
    - in einem Verfahrensschritt ein Rohrelement (5) in eine das Rohrelement (5) außenseitig umgreifende Matrize (1, 2) eingebracht wird, wobei die Matrize (2) an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an der Matrize (2) innenseitig eine dem Rohrelement (5) zugewandte Ausnehmung (A) gebildet ist,
    - in einem Verfahrensschritt ein Dorn (3, 4) in das Rohrelement (5) eingesetzt wird,
    - in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Rohrelement (5) in axialer Richtung (Z) gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird, sowie
    - in einem Verfahrensschritt die Geometrie, insbesondere eine axiale Erstreckung (b, t, b', t') der Ausnehmung (A, A', A") verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Matrize wenigstens zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Matrizenteil (1) sowie einen zweiten Matrizenteil (2) unterteilt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) oder zwischen zwei Phasen plastischer Umformung der erste Matrizenteil (1) gegen den zweiten Matrizenteil (2) verstellt wird, wobei insbesondere zu Beginn einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) ein Spalt (t, t') zwischen dem ersten Matrizenteil (1) und dem zweiten Matrizenteil (2) vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mit Hilfe der Verstellung der Matrizenteile (1, 2) gegeneinander zugleich eine Veränderung der Geometrie, insbesondere der axialen Erstreckung (b, t) der Ausnehmung (A, A', A") herbeigeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) der zweite Matrizenteil (2) dieselbe Bewegung (c2) vollführt wie der erste Matrizenteil (1).
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wobei der Dorn (4) an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an dem Dorn eine dem Rohrelement (5) zugewandte Vertiefung (V) gebildet ist
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem Verfahrensschritt das Rohrelement (5) in axialer Richtung (Z) gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird, wobei zugleich Matrize (1, 2) und Dorn (3, 4) relativ zueinander verstellt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dorn (3, 4) zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Dornteil (3) sowie einen zweiten Dornteil (4) unterteilt ist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Matrizenteil (1, 2) während der plastischen Umformung des Rohrelements (5) in axialer Richtung mittels eines ersten Federelementes (8) abgestützt ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste Federelement (8) hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbar, insbesondere hinsichtlich seiner Federkraft (S, S') verstellbar und/oder in einen nicht federnden Zustand überführbar ausgestaltet ist.
  11. Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen mit einem Flansch, bei dem
    - in einem Verfahrensschritt an einem Rohrelement (5) durch plastische Umformung des Rohrelements, insbesondere durch Stauchen, ein Bund (W1, W2, W3) hergestellt wird, der an dem Rohrelement (5) eine ringförmige Wandverdickung darstellt, und
    - in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mittels einer das Rohrelement (5) außenseitig umgreifenden Matrize (1, 2) der Schwerpunkt eines außenseitigen Bundabschnittes (W1, W3) relativ zu einem Schwerpunkt des Rohrelements und/oder einem innenseitigen Bundabschnitt (W2) axial verschoben wird, wobei das Rohrelement (5) gleichzeitig axial gestaucht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während der axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts (W1) relativ zu dem innenseitigen Bundabschnitt (W2) beide Abschnitte (W1 und W2) plastisch umgeformt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Rohrelement (5) innenseitig von einem Dorn (3, 4) gestützt wird, dem eine Vertiefung (V) zugeordnet ist, die zum einen eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts (W2) relativ zum Dorn (3, 4) ermöglicht und zum anderen die zu erzielende Form des innenseitigen Bundabschnitts (W2) definiert.
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