EP2076342B1 - Vorrichtung zur innenhochdruckumformung - Google Patents

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EP2076342B1
EP2076342B1 EP07818541A EP07818541A EP2076342B1 EP 2076342 B1 EP2076342 B1 EP 2076342B1 EP 07818541 A EP07818541 A EP 07818541A EP 07818541 A EP07818541 A EP 07818541A EP 2076342 B1 EP2076342 B1 EP 2076342B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carriage
workpiece
mold
drive
guide
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07818541A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2076342A1 (de
Inventor
Christoph Hartl
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.)
Fachhochschule Koeln
Original Assignee
Fachhochschule Koeln
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fachhochschule Koeln filed Critical Fachhochschule Koeln
Publication of EP2076342A1 publication Critical patent/EP2076342A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2076342B1 publication Critical patent/EP2076342B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/045—Closing or sealing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49805—Shaping by direct application of fluent pressure

Definitions

  • the invention relates to a device for hydroforming components of tubular workpieces, in particular microcomponents, comprising an at least two-part mold into which a workpiece can be inserted, and means for sealing and / or pressurizing the workpiece at the workpiece ends.
  • Such devices are well known in the art for traditional components.
  • metallic tubular workpieces by pressurization from the inside by means of a fluid, often a liquid fluid, widened. Due to the expansion within a molding tool, the expansion can take place until the flared wall of the workpiece rests against a contoured inner wall of a molding tool.
  • the contoured inner wall which is also referred to as a form engraving, thus defines the later outer shape of a workpiece to be reshaped.
  • a known device for carrying out such hydroforming usually comprises an at least two-part mold, which can be opened to insert a tubular workpiece for the forming process. After closing the mold, in particular by pressing an upper mold part onto a lower mold part, means for sealing and means for filling / pressurizing with fluid under pressure are pressed onto the open workpiece ends and the workpiece is shaped by the generated internal pressure. To The so formed forming and in particular removal of the aforementioned means can then open the mold and the formed workpiece can be removed.
  • a forming apparatus according to the preamble of claim 1 shows the JP 2004 276077 A ,
  • device and tool parts may be subject to elastic shape changes during the forming process due to the comparatively high loads / pressures used for forming.
  • Such changes in shape can affect both the molds, as well as in the inserted workpieces and the adjacent parts of the device.
  • the object of the invention is to provide a device of the aforementioned type, in which the aforementioned disadvantages are reduced or overcome and thus unavoidable elastic deformations show no negative effects.
  • the essential core idea here is, on the one hand, that at the same time a displacement of the molding tool due to the guide attached thereto by the arrangement of a guide on the mold at an elastic deformation of the mold due to a closing force Displacement of the guide causes, so that the relative position between the guide and mold is maintained.
  • Such an agent may be e.g. to act a sealing die, which seals the workpiece against the internal pressure during forming at the open end of the workpiece.
  • a sealing die which seals the workpiece against the internal pressure during forming at the open end of the workpiece.
  • it can be a filling punch, which, like a sealing punch, is set and pressed against an open end of a workpiece, which has a bore or a channel, with the fluid, e.g. liquid fluid can be poured into the interior of the workpiece and can be pressurized.
  • a slide is displaceable by means of a drive arranged separately from the at least one guide, which drive is coupled to the slide at least substantially without lateral force.
  • the arrangement of a drive for moving and pressing a carriage separately from the guide and thus also separated from the mold prevents any deformation or distortion that may arise due to reaction forces between the drive and mold.
  • the at least substantially lateral force-free coupling causes no or substantially no transverse forces to arise due to the force effect between drive and slide, but only forces in the direction of the possible direction of displacement of the slide on / in the guide.
  • transverse forces which are avoided according to the invention, thus any forces are understood that a vertical component to the direction of displacement of a carriage and thus could contribute to a distortion or deformation of the mold or at the connection points between the workpiece ends and said means.
  • the at least one guide is arranged on at least one of the parts of the molding tool.
  • the lower part of a molding tool is preferably selected, so that when the upper molding tool part is lifted off for removal from the mold, the guide leads in place.
  • each of the workpiece ends is associated with a guide with a carriage and a drive.
  • a guide with a carriage and a drive.
  • the guides e.g. be parallel with axial workpieces and aligned with each other or have an offset on both sides of the mold.
  • the guides are arranged at an angle to each other.
  • the device can be designed such that a guide is arranged in the parting plane of the molding tool. This ensures that at any size of the incoming deformation, the position of a guide relative to a workpiece end, which is usually in the parting plane is preserved. Thus, at the same time, the position of a respective carriage with means mounted thereon for sealing and / or filling / pressurizing remains the same relative to the workpiece end,
  • the arrangement of a guide is particularly preferably chosen such that a guide extends through a forming tool, in particular from one workpiece end to another workpiece end.
  • a guide extends through a forming tool, in particular from one workpiece end to another workpiece end.
  • the one guide is formed by two rods, at least outside the mold, which are in particular encompassed by a slide.
  • it may be round bars, preferably in the manufacturing quality of waves, on which a carriage is guided by means of plain bearings.
  • the opposite end portions of each rod can not be arranged in parallel at an angle to each other, e.g. if a rod is not exactly aligned straight but has a curvature / bend. In this case, the displacement directions of two arranged on two sides of a mold carriage are not parallel to each other.
  • the device is chosen such that, especially in axial tubular workpieces, the axes of guides located on two sides of the mold are coaxial so that the force vectors acting on the work ends by the slides are exactly opposite each other and compensate each other.
  • a drive or at least one holder of a drive with a part, in particular a lower part of the mold is arranged on a common base plate, in particular wherein a closing pressure is applied to an upper part of the mold.
  • the lower part of the mold can be arranged directly or via an intermediate part on the base plate. This has the advantage that all reaction forces, such as those to the closing pressure between the upper and lower halves of a mold and those to the contact pressure by the drives are absorbed by the base plate. This can thus be carried out correspondingly stable.
  • the closing pressure is applied by a drive, which is connected via a GesteII- / frame assembly with the common base plate. So a closed power flow can be achieved.
  • the substantially lateral force-free coupling between a drive and a carriage is formed by a loose contact between the carriage and the drive.
  • a loose contact is understood to mean that an element driving the carriage in a direction towards the workpiece end, eg a plunger, only rests against an active surface of a carriage, but in particular is not connected thereto or fastened thereto.
  • an attachment it is according to the invention form transverse force free, so that no forces in one direction or with a component perpendicular to the direction of displacement of a carriage is transmitted through this attachment. Due to the contact between two active surfaces of the drive and the carriage, the carriage is movable in the feed direction by the drive.
  • transverse force and / or friction reducing means are used in the area of loose contact.
  • a means may be formed as a roller and / or ball bearing, in particular wherein the rollers are arranged at a vertical closing force horizontally and perpendicular to the carriage movement between the respective active surfaces of the drive and slide. Because of these roles, thus the active surfaces of the drive and slide, between which a force is transmitted in the feed direction in the vertical direction, ie in the direction of the acting and potentially deforming closing force past each other. This causes a decoupling to a possible transverse force in the vertical direction and thus the decoupling according to the invention.
  • FIG. 1 shows first in an overview of the steps for performing a hydroforming of a tubular workpiece 1.
  • the workpiece 1 is inserted into the lower part 2a of a mold 2 and then the in FIG. 1a first raised upper mold 2b, as in FIG. 1 b lowered onto the lower mold 2a.
  • the closed mold 2 has an inner contour 3, also called a form engraving, which defines the later outer shape of the formed workpiece 1.
  • a sealing punch 4 and on the left side a punch 5 for filling and pressurization to the workpiece ends 1 a are employed in this example on the right side.
  • the punch 5 has a channel 5a for this purpose.
  • a closing pressure P is shown exerted in the vertical direction on the mold and also a respective contact pressure AP on the two punches 4/5. It is filled by the punch 5, the workpiece interior with liquid fluid and placed under high pressure, so that the workpiece wall expands until it rests against the inner contour 3. Then, the workpiece 1 is formed and can by opening the mold 2 and removing the punch 4/5, such as Figure 1d ) shows are taken.
  • FIG. 2 clarifies the problem arising here.
  • the molding tool 2 In the left-side section of the molding tool 2, the molding tool 2 can be seen in the closed and unloaded state with a view of a workpiece end 1a.
  • the lateral end regions of the mold in this case have an opening cross section which corresponds to the outer cross section of a workpiece 1 to be inserted at the end region 1a.
  • the same situation is in a loaded state, ie when a closing pressure P is exerted on the molding tool 2 from above via the molding tool part 2b.
  • the parting plane TE between the two mold halves 2a and 2b moves downwards by the amount ⁇ . This can lead to a leak in the pressed stamps 4/5.
  • FIG. 3 shows an overview of a device according to the invention.
  • a lower mold part 2a is arranged via an intermediate piece or a support 7.
  • the inner contour 3 of this lower part 2a can be seen.
  • the drive plunger 10 which carries the upper mold part 2b and downwardly moves the closing pressure generated, which is held during the forming.
  • the drive 8 then serves to open the forming tool 2.
  • the drive ram 10 may be hydraulically driven or mechanically driven e.g. via a toggle mechanism.
  • This frame or the frame serves to receive the process forces and forms a carrier for further essential device components. He can e.g. from screwed frame parts 9 or comprise a welded or cast construction.
  • the essential core of the invention shows the FIG. 4 omitting the drive 8 and the frame 9.
  • the invention extend through the mold 2 and its lower part 2a, two mutually parallel rods 11 which are embedded in the lower mold part 2a to half of their cross-section.
  • the rods continue to extend parallel to the longitudinal axis of the mold, which is given by the orientation of the contour 3 and the insertable therein workpiece.
  • the rods 11 may have a round cross-section in this example. It is also possible to use a cross section deviating from the round shape or to form a flat track guide.
  • Both carriages 12 have two parallel bores through which the rods 11 pass. For example, can be pressed into the bores guide bushings, eg as plain bearings.
  • the carriage 12 are in the FIGS. 1 arranged schematically stamp 4 and 5 or arranged generally means for sealing and filling / pressurizing. Also, the carriages in all possible embodiments can form the carriers for the fluid supply, wherein the fluid is forwarded by means of a carriage to the corresponding punch.
  • the stamp 12 are adapted to the cross-sectional shape of the end portions 1 a of a workpiece to ensure a seal. Also, they may be conical or have a step shape, in particular to ensure a Nachschieben workpiece material during the forming.
  • the carriages 12 can be moved by means of the drives 13 arranged on both sides in the direction of the arrow and with a contact pressure AP, the punches can be pressed against the open workpiece ends, which are not shown in this figure. Also, a Nachschiebekraft be exercised on the workpiece 1 via a punch 4.5 by the drives.
  • the drives 13 are fastened to the base plate 6 via respective drive holders 14. Reaction forces of the drives are thus introduced into the base plate 6, as well as the closing force.
  • the drives each move drive plungers 15 whose front active surfaces 15a press substantially free of lateral forces on a respective corresponding active surface 12a of a carriage 12.
  • a direct loose contact may be provided or it may, for example, as shown in the detail drawing, the transverse force transmission reducing means 16 may be provided.
  • Such a means is arranged between the active surfaces 15a and 12a, for example, as a roller bearing 16, which has a plurality of rollers 17 arranged one above the other horizontally and perpendicular to the direction of displacement of a carriage 12.
  • the active surfaces 12a and 15a can thus slide parallel to one another, in particular vertically past one another, so that forces are only vertical be transferred between the active surfaces, but not in the vertical direction, ie not in the direction of the closing force in which it can lead to deformation of the mold. In the present case, decoupling in this direction is sufficient since a transverse force can occur substantially only in the vertical direction.
  • the carriage and the stamp attached to maintain their relative position, in particular their coaxiality to the workpiece end, since they are moved over the arranged in the parting plane TE of the mold 2 guide 11 and on the other hand, that the downward movement of the parting plane TE by the decoupling in the vertical direction does not lead to a force effect between the drive 13 and slide 12, which has a vertical component to the thrust direction along the guide.
  • the Figures 5 and 6 show two alternative forms of filling and pressurizing nozzle 5.
  • the stub 5 has a tapered, in particular conical tip, as well as a central channel 5a opening into the tip.
  • the situation before applying a contact pressure on a workpiece end 1 a to recognize which rests in the mold 2.
  • the situation can be recognized by the application of a contact pressure.
  • the workpiece end 1a is deformed, in particular widened, by the tip of the punch 5, as a result of which a particularly dense system results.
  • the tip which has a more pointed conicity (smaller point angle), than the mold portion 2c around the workpiece end, it is achieved that the workpiece end between the front end of the tip and the conical mold portion 2c is clamped. This results in an optimal positive and / or non-positive tightness.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the punch 5 or without channel 5a and the sealing punch 4.
  • the punch 5 has a conical tip 5b as a contact surface to allow a better immersion in the workpiece end 1a.
  • the front end of the punch is just like the end 1 a of the workpiece 1, executed at least once stepped.
  • a step in the workpiece can be easily formed by the end face of the end.
  • the ends of the workpiece and punch are here matched with respect to the two stages.
  • a high pressure pressurized fluid pressure system may be used in known manner, e.g. be executed with pumps, filters, valves.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung von Komponenten aus rohrförmigen Werkstücken, insbesondere Mikrokomponenten, umfassend ein wenigstens zweiteiliges Formwerkzeug, in welches ein Werkstück einlegbar ist, sowie Mittel zum Abdichten und/oder zur Druckbeaufschlagung des Werkstückes an den Werkstückenden.
  • Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik für traditionelle Bauteile allgemein bekannt. Üblicherweise werden in solchen Vorrichtungen zumeist metallische rohrförmige Werkstücke durch Druckbeaufschlagung von innen mittels eines Fluids, oftmals eines flüssigen Fluids, aufgeweitet. Durch die Aufweitung innerhalb eines Formwerkzeuges kann die Aufweitung erfolgen, bis dass die aufgeweitete Wandung des Werkstückes an einer konturierten Innenwandung eines Formwerkzeuges anliegt. Die konturierte Innenwandung, die auch als Formgravur bezeichnet wird, definiert somit die spätere äußere Gestalt eines umzuformenden Werkstückes.
  • Eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung solcher Innenhochdruckumformungen umfasst dabei üblicherweise ein wenigstens zweiteiliges Formwerkzeug, welches geöffnet werden kann, um ein rohrförmiges Werkstück für den Umformungsprozess einzulegen. Nach Schließen des Formwerkzeugs, insbesondere durch Aufpressen eines oberen Formwerkzeugteiles auf ein unteres Formwerkzeugteil werden an die offenen Werkstückenden Mittel zum Abdichten und Mittel zum Befüllen / Beaufschlagen mit unter Druck stehendem Fluid angepresst und durch den erzeugten Innendruck das Werkstück umgeformt. Nach der so erfolgten Umformung und insbesondere Entfernung der vorgenannten Mittel kann sodann das Formwerkzeug geöffnet und das umgeformte Werkstück entnommen werden. Eine Umformvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zeigt die JP 2004 276077 A .
  • Bei solchen Umformungen ist es bekannt, dass Vorrichtungs- und Werkzeugteile aufgrund der vergleichsweise hohen, für die Umformung eingesetzten Lasten / Drücke elastischen Formänderungen während des Umformungsprozesses unterliegen können. Solche Formänderungen können sich sowohl bei den Formwerkzeugen, als auch bei den einliegenden Werkstücken und den angrenzenden Vorrichtungsteilen auswirken.
  • Bei diesen Formänderungen kann es insbesondere zu einer elastischen Stauchung der Formwerkzeuge kommen, da ein oberes Formwerkzeugteil mit einer dem Innendruck proportionalen Schließkraft gegen das untere Formwerkzeugteil gepresst werden muss. Hierbei kann es zu einer Verlagerung insbesondere Parallelverlagerung des Formwerkzeuges und des darin einliegenden Werkstückes gegen über anderen externen Vorrichtungsteilen kommen, wie z.B. Mitteln zur Abdichtung, wie beispielsweise Dichtstempeln oder den Mitteln zum Befüllen und Druckbeaufschlagen, die z.B. von außen gegen das Formwerkzeug bzw. die Werkzeugenden während der Umformung gepresst werden.
  • Hierdurch kann es zu einer verringerten Prozess-Sicherheit kommen, beispielsweise durch reduzierte Dichtigkeit bei den Mitteln zum Abdichten oder Befüllen / Druckbeaufschlagen. Ebenso kann es zu einem erhöhten Verschließ oder auch zum Bruch von Formwerkzeugen kommen.
  • Um diesem Effekten entgegenzuwirken, ist es bereits bekannt, Antriebe zum Antreiben von Mitteln für die Abdichtung bzw. Befüllung und Druckbeaufschlagung direkt am Formwerkzeug zu befestigen. Da sich die Antriebe somit jedoch direkt am Formwerkzeug abstützen werden durch die Einleitung der bei der Umformung auftretenden Reaktionskräfte direkt in das Formwerkzeug Spannungen und Verzerrungen hervorgerufen, die ebenfalls die Prozess-Sicherheit beeinträchtigen.
  • Z.B. können auch aufgrund des Gewichtes der vom dem Formwerkzeug getragenen Antriebe Schrägstellungen der Mittels zum Abdichten und/oder Befüllen / Druckbeaufschlagen entstehen. Darüber hinaus sind bei einer solchen Lösung die Antriebe bei einem Wechsel der Formwerkzeuge nur sehr aufwändig zu demontieren bzw. neu zu montieren.
  • Diese vorgenannten Probleme führen dazu, dass bekannte Vorrichtungen der genannten Art nicht eingesetzt werden können für die Innenhochdruckumformung von Mikrokomponenten, also z.B. rohrförmigen Werkstücken mit Abmessungen von z.B. kleiner 3 mm Durchmesser bevorzugt weniger als 1 mm Durchmesser, da sich bei solchen kleinen Werkstücken die Formänderungen relativ zur Werkstückgröße stärker auswirken als bei üblichen Werkstückgrößen. Hierbei können bei den Mikrokomponenten Verhältnisse von Wandstärke zu Durchmesser von 0.02 bis 0.2 zum Einsatz kommen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, bei der die vorgenannten Nachteile vermindert oder überwunden werden und somit unvermeidbare elastische Formänderungen keine negativen Auswirkungen zeigen.
  • Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Wesentlicher Kerngedanke hierbei ist es zum einen, dass durch die Anordnung einer Führung an dem Formwerkzeug bei einer elastischen Verformung des Formwerkzeuges aufgrund einer Schließkraft eine Verlagerung des Formwerkzeuges aufgrund der daran befestigten Führung gleichzeitig auch eine Verlagerung der Führung bewirkt, so dass die relative Lage zwischen Führung und Formwerkzeug erhalten bleibt.
  • Mittels eines Schlittens, der auf einer solchen Führung verschieblich ist und z.B. mittels eines geeigneten Antriebes in Richtung auf ein offenes Werkstückende zubewegbar ist, können sodann erfindungsgemäß Mittel zum Abdichten und/oder Mittel zum Befüllen / Druckbeaufschlagen an die Werkstückenden dicht angestellt werden. Derartige Mittel können hierfür auf einem solchen Schlitten montiert sein.
  • Bei einem solchen Mittel kann es sich z.B. um einen Dichtstempel handeln, der das Werkstück gegen den Innendruck bei der Umformung am offenen Werkstückende abdichtet. Weiterhin kann es sich um einen Befüllungstempel handeln, der ebenso wie ein Dichtstempel an ein offenes Werkstückende angestellt und angepresst wird, der eine Bohrung oder einen Kanal aufweist, mit dem Fluid, z.B. flüssiges Fluid in das Innere des Werkstücks eingefüllt werden und unter Druck gesetzt werden kann.
  • Es ist zum anderen wesentlicher Kerngedanke, dass ein Schlitten mittels eines getrennt zu der wenigstens einen Führung angeordneten Antrieb verschiebbar ist, der zumindest im Wesentlichen querkraftfrei an den Schlitten gekoppelt ist. Die Anordnung eines Antriebs zum Bewegen und Anpressen eines Schlittens getrennt von der Führung und somit auch getrennt von dem Formwerkzeug verhindert jegliche Verformungen oder Verzerrungen die aufgrund von Reaktionskräften zwischen Antrieb und Formwerkzeug entstehen können. Somit werden die im Stand der Technik bekannten Nachteile bereits durch diese Anordnung vermieden.
  • Weiterhin bewirkt die zumindest im Wesentlichen querkraftfreie Ankopplung, dass durch die Kraftwirkung zwischen Antrieb und Schlitten keine oder im wesentlichen keine Querkräfte entstehen, sondern nur Kräfte in Richtung der möglichen Verschiebungsrichtung des Schlittens auf/ in der Führung. Unter Querkräften, die gemäß der Erfindung vermieden werden, werden somit jegliche Kräfte verstanden, die eine senkrechte Komponente zur Verschiebungsrichtung eines Schlittens aufweisen und somit zu einer Verzerrung oder Verformung am Formwerkzeug oder an den Anschlussstellen zwischen Werkstückenden und den genannten Mitteln beitragen könnten.
  • Durch die im Wesentlichen querkraftfreie Ankopplung zwischen einem Antrieb und einem Schlitten wird weiterhin erreicht, dass selbst bei einer Bewegung des Formwerkzeuges und der wenigstens einen Führung keine Kraftwirkungen senkrecht zur Verschieberichtung zwischen antrieb und Schlitten entstehen, da für diese Kräfte eine Entkopplung besteht. Auch bewegt sich der Antrieb selbst bei einer möglichen Bewegung einer Führungselement nicht mit.
  • Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, die Führung vorteilhaft weiterzubilden. Beispielsweise kann die wenigstens eine Führung an wenigstens einem der Teile des Formwerkzeuges angeordnet ist. Hier wird bevorzugt das untere Teil eines Formwerkzeuges gewählt, so dass bei einem Abheben des oberen Formwerkzeugteils für die Entformung die Führung an Ort und Stelle verbleit.
  • Weiterhin kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass jedem der Werkstückenden eine Führung mit einem Schlitten und ein Antrieb zugeordnet ist. So besteht die Möglichkeit jedes der Werkstückenden, von denen üblicherweise wenigstens zwei bei rohrförmigen Werkstücken vorhanden sind, erfindungsgemäß zu verschließen mit den jeweils nötigen Mittel, also z.B. zum Abdichten und/oder zur Befüllung / Druckbeaufschlagung. Hierbei können die Führungen, z.B. bei axialen Werkstücken parallel sein und miteinander fluchten oder auch einen Versatz an beiden Seiten des Formwerkzeuges aufweisen. Bei gekrümmten Werkstücken kann es auch vorgesehen sein, dass die Führungen zueinander in einem Winkel angeordnet sind.
  • Bevorzugt kann die Vorrichtung derart ausgeführt werden, dass eine Führung in der Trennebene des Formwerkzeugs angeordnet ist. So bleibt sichergestellt, dass bei jeglicher Größenordnung der eintretenden Verformung die Lage einer Führung relativ zu einem Werkstückende, welches sich üblicherweise in der Trennebene befindet, erhalten bleibt. Somit bleibt gleichzeitig auch die Lage eines jeweiligen Schlittens mit darauf montierten Mitteln zum Abdichten und/ oder Befüllen / Druckbeaufschlagen relativ zum Werkstückende gleich,
  • Besonders bevorzugt wird dabei die Anordnung einer Führung so gewählt, dass sich eine Führung durch ein Formwerkzeug hindurch erstreckt, insbesondere von einem Werkstückende zum einem anderem Werkstückende. Bei einem Werkstück mit nur zwei Werkstückenden kann es somit nur eine einzige Führung geben, die auf einer Seite des Formwerkzeuges einen Schlitten zur Aufnahme wenigstens eines ersten der vorgenannten Mittel führt und auf der anderen Seite einen weiteren Schlitten führt zur Aufnahme wenigstens eines zweiten der vorgenannten Mittel, also insbesondere auf einer Seite einen Stempel zum Dichten und auf der andere Seite einen Stempel zum Befüllen und Druckbeaufschlagen. Durch die Fortführung der Führung von einer Seite des Formwerkzeuges durch dieses hindurch zur anderen Seite wird eine besondere Stabilität bei der Führung und zum Formwerkzeug erzielt.
  • Ein einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das eine Führung durch zwei, zumindest ausserhalb des Formwerkzeugs parallele Stäbe gebildet ist, insbesondere die von einem Schlitten umgriffen sind. Beispielsweise kann es sich um runde Stäbe, bevorzugt in der Fertigungsqualität von Wellen handeln, auf denen ein Schlitten mittels Gleitlagern geführt wird. Die einander gegenüberliegenden Endabschnitte eines jeden Stabes können dabei nicht parallel unter einem Winkel zueinander angeordnet sein, z.B. wenn ein Stab nicht exakt gerade ausgerichtet ist sondern eine Krümmung / Biegung aufweist. In diesem Fall sind auch die Verschieberichtungen zweier an zwei Seiten eines Formwerkzeuges angeordneter Schlitten nicht parallel zueinander.
  • Bevorzugt wird die Vorrichtung derart gewählt, dass insbesondere bei axialen rohrförmigen Werkstücken die Achsen von auf zwei Seiten des Formwerkzeugs liegenden Führungen koaxial sind, damit die Kraftvektoren die durch die Schlitten auf die Werkstückenden wirken exakt einander entgegengerichtet sind und einander kompensieren.
  • Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein Antrieb oder zumindest ein Halter eines Antriebs mit einem Teil, insbesondere einem unteren Teil des Formwerkzeugs auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet ist, insbesondere wobei auf einen oberen Teil des Formwerkzeugs ein Schließdruck aufgebracht wird. Hierbei kann das untere Teil des Formwerkzeugs direkt oder über ein Zwischenteil auf der Grundplatte angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass alle Reaktionskräfte, wie diejenigen zum Schließdruck zwischen oberer und unteren Hälfte eines Formwerkzeuges und diejenigen zum Anpressdruck durch die Antriebe durch die Grundplatte aufgenommen werden. Diese kann somit entsprechend stabil ausgeführt werden.
  • Hierbei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der Schließdruck durch einen Antrieb aufgebracht wird, der über eine GesteII-/Rahmenanordnung mit der gemeinsamen Grundplatte verbunden ist. So kann ein geschlossener Kraftfluss erreicht werden.
  • Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die im Wesentlichen querkraftfreie Kopplung zwischen einem Antrieb und einem Schlitten ausgebildet ist durch einen losen Kontakt zwischen Schlitten und Antrieb. Hierbei wird unter einem losen Kontakt verstanden, dass ein den Schlitten in einer Richtung zum Werkstückende antreibendes Element, z.B. ein Stößel an einer Wirkfläche eines Schlittens nur anliegt, insbesondere jedoch nicht mit dieser verbunden bzw. daran befestigt ist. Sofern eine Befestigung vorgesehen ist, ist diese erfindungsgemäß querkraftfrei auszubilden, so dass keine Kräfte in einer Richtung bzw. mit einer Komponente senkrecht zur Verschieberichtung eines Schlitten durch diese Befestigung übertragen wird. Aufgrund der Anlage zwischen zwei Wirkflächen des Antriebs und des Schlittens ist der Schlitten in Vorschubrichtung durch den Antrieb bewegbar. Somit wird eine Kraft im Wesentlichen nur in Richtung der Vorschubrichtung übertrage. Eine dazu senkrecht wirkende Kraft würde gemäß der querkraftfreien Kopplung lediglich bewirken, dass sich die Anlagestelle zwischen Antrieb und Schlitten ändert. Somit ist jegliche Bewegung zwischen Formwerkzeug und Antrieb aufgrund einer elastischen Formänderung ohne negative Auswirkung möglich.
  • Bei der Kopplung zwischen Antrieb und Schlitten kann es vorgesehen sein, dass im Bereich des losen Kontaktes querkraft- und/oder reibungsreduzierende Mittel eingesetzt sind. So wird die Möglichkeit zur Querbewegung zwischen Antrieb und Formwerkzeug bzw. Schlitten/Führung noch weiter erleichtert. Beispielsweise kann ein solches Mittel ausgebildet sein als eine Rollen- und/oder Kugellagerung, insbesondere wobei die Rollen bei einer vertikalen Schließkraft horizontal und senkrecht zur Schlittenbewegung zwischen den jeweiligen Wirkflächen von Antrieb und Schlitten angeordnet sind. Aufgrund dieser Rollen können somit die Wirkflächen von Antrieb und Schlitten, zwischen denen eine Kraft in Vorschubrichtung übertragen wird in vertikaler Richtung, also in Richtung der wirkenden und potentiell deformierenden Schließkraft aneinander vorbeirollen. Die bewirkt eine Entkopplung zu einer möglichen Querkraft in vertikaler Richtung und somit die erfindungsgemäße Entkopplung.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1:
    die Prozessschritte bei der Innenhochdruckumformung;
    Figur 2:
    die elastische Stauchung des Formwerkzeugs;
    Figur 3:
    eine perspektivische Übersichtsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Figur 4:
    eine perspektivische Darstellung wie in Figur 3, jedoch ohne Vorrichtungsanteile zur Erzeugung der Schließkraft;
    Figur 5:
    die Ausbildung eines Stempels zur Befüllung und Druckbeaufschlagung;
    Figur 6:
    die Ausbildung eines Stempels zur Befüllung und Druckbeaufschlagung;
  • Die Figur 1 zeigt zunächst in einer Übersicht die Schritte zur Durchführung einer Innenhochdruckumformung eines rohrförmigen Werkstücks 1. Das Werkstück 1 wird in den unteren Teil 2a eines Formwerkzeugs 2 eingelegt und anschließend das in Figur 1a zunächst abgehobene obere Formwerkzeug 2b, wie in Figur 1 b gezeigt auf das untere Formwerkzeug 2a abgesenkt. Das geschlossene Formwerkzeug 2 weist eine innere Konturierung 3 auf, auch Formgravur genannt, welche die spätere äußere Formgestalt des umgeformten Werkstücks 1 definiert.
  • Nach dem Schließen des Formwerkzeugs 2 werden in diesem Beispiel rechtsseitig ein Abdichtstempel 4 und linksseitig ein Stempel 5 zur Befüllung und Druckbeaufschlagung an die Werkstückenden 1 a angestellt. Der Stempel 5 weist hierfür einen Kanal 5a auf.
  • Wie in Figur 1 c gezeigt wird ein Schließdruck P in vertikaler Richtung auf das Formwerkzeug ausgeübt sowie auch ein jeweiliger Anpressdruck AP auf die beiden Stempel 4/5. Es wird durch den Stempel 5 das Werkstückinnere mit flüssigem Fluid befüllt und unter hohen Druck gesetzt, so dass sich die Werkstückwandung aufweitet, bis dass sie an der Innenkontur 3 anliegt. Sodann ist das Werkstück 1 umgeformt und kann durch Öffnen des Formwerkzeuges 2 und Entfernen der Stempel 4/5, wie Figur 1d) zeigt, entnommen werden.
  • Die Figur 2 verdeutlicht die hierbei entstehende Problematik. In dem linksseitigen Schnitt des Formwerkzeuges 2 ist das Formwerkzeug 2 in geschlossenem und unbelastetem Zustand mit Blick auf ein Werkstückende 1a zu erkennen. Die seitlichen Stirnbereiche der Form weisen dabei einen Öffnungsquerschnitt auf, der dem Außenquerschnitt eines einzulegenden Werkstücks 1 am Endbereich 1a entspricht. Rechts ist dieselbe Situation jedoch in belastetem Zustand, d.h. wenn ein Schließdruck P auf das Formwerkzeug 2 von oben über das Formwerkzeugteil 2b ausgeübt wird. Erkennbar ist hier, dass sich die Trennebene TE zwischen den beiden Formwerkzeughälften 2a und 2b um den Betrag Δ nach unten verlagert. Hierdurch kann es zu einer Undichtigkeit bei den angepressten Stempeln 4/5 kommen.
  • Die Figur 3 zeigt in der Übersicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Auf einer Grundplatte 6 ist über ein Zwischenstück bzw. eine Auflage 7 ein unteres Formwerkzeugteil 2a angeordnet. In der Aufsicht ist die Innenkontur 3 dieses unteren Teil 2a zu erkennen.
  • Mittels eines Antriebs 8, der mittels eines Rahmens / Gestells 9 an der Grundplatte 6 befestigt ist wird mittels des Antriebsstößels 10 der das obere Formwerkzeugteil 2b trägt und nach unten bewegt der Schließdruck erzeugt, der während der Umformung gehalten wird. Anschließend dient der Antrieb 8 zum Öffnen des Formwerkzeugs 2. Der Antriebsstößel 10 kann hydraulisch angetrieben sein oder mechanisch z.B. über einen Kniehebelmechanismus.
  • Dieser Rahmen bzw. das Gestellt dient der Aufnahme der Prozesskräfte und bildet einen Träger für weitere wesentliche Vorrichtungskomponenten. Er kann z.B. aus verschraubten Rahmenteilen 9 oder eine Schweiß- oder Gusskonstruktion umfassen.
  • Den wesentlichen Kern der Erfindung zeigt die Figur 4 unter Weglassung des Antriebs 8 und des Gestells 9.
  • Gemäß der Erfindung erstrecken sich durch das Formwerkzeug 2 bzw. dessen unteren Teil 2a zwei parallel zueinander verlaufende Stangen 11, die zur Hälfte Ihres Querschnitt in den unteren Formwerkzeugteil 2a eingebettet sind. Die Stangen erstrecken sich weiterhin parallel zur Längsachse des Formwerkzeugs, welche durch die Ausrichtung der Kontur 3 und des darin einlegbaren Werkstückes gegeben ist.
  • Die beiden Stangen 11, die beidseits des Formwerkzeugs 2 überstehen, bilden eine Führung im Sinne der Erfindung, auf der beidseits des Formwerkzeugs 2 je ein Schlitten 12 geführt ist. Die Stangen 11 können in diesem Beispiel runden Querschnitt aufweisen. Es ist ebenso möglich einen von der runden Form abweichenden Querschnitt zu verwenden oder eine Flachbahnführung auszubilden..
  • Beide Schlitten 12 weisen zwei parallele Bohrungen auf, durch die die Stangen 11 hindurchreichen. Z.B. können in die Bohrungen Führungsbuchsen, z.B. als Gleitlager eingepresst sein. In den Schlitten 12 sind die in den Figuren 1 schematisch gezeigten Stempel 4 und 5 angeordnet bzw. allgemein Mittel zum Abdichten und Befüllen / Druckbeaufschlagen angeordnet. Auch können die Schlitten bei allen möglichen Ausführungen die Träger für die Fluidzufuhr bilden, wobei das Fluid mittels eines Schlitten an den entsprechenden Stempel weitergeleitet wird.
  • Die Stempel 12 sind dabei an die Querschnittsform der Endbereiche 1 a eines Werkstücks angepasst, um eine Abdichtung zu gewährleisten. Auch können Sie konisch ausgebildet sein oder eine Stufenform aufweisen, insbesondere um ein Nachschieben von Werkstückmaterial bei der Umformung zu gewährleisten..
  • Die Schlitten 12 können mittels der beidseits angeordneten Antriebe 13 an Pfeilrichtung bewegt und mit einem Anpressdruck AP so die Stempel gegen die offenen Werkstückenden gepresst werden, die in dieser Figur nicht gezeigt sind. Auch kann durch die Antriebe eine Nachschiebekraft über einen Stempel 4,5 auf das Werkstück 1 ausgeübt werden.
  • Die Antriebe 13 sind über jeweilige Antriebshalter 14 an der Grundplatte 6 befestigt. Reaktionskräfte der Antriebe werden somit in die Grundplatte 6 eingeleitet, ebenso wie die Schließkraft. Die Antriebe bewegen jeweils Antriebsstößel 15, deren vordere Wirkflächen 15a im Wesentlichen querkraftfrei auf eine jeweils korrespondierende Wirkfläche 12a eines Schlittens 12 drückt.
  • Hierbei kann ein direkter loser Kontakt vorgesehen sein oder es kann z.B. wie es die Detailzeichnung zeigt, ein die Querkraftübertragung reduzierendes Mittel 16 vorgesehen sein. Ein solches Mittel ist zwischen den Wirkflächen 15a und 12a z.B. als ein Rollenlager 16 angeordnet, welches mehrere übereinander horizontal und senkrecht zur Verschieberichtung eines Schlittens 12 angeordnete Rollen 17 aufweist. Die Wirkflächen 12a und 15a können somit parallel zueinander, insbesondere vertikal aneinander vorbei gleiten, so dass Kräfte nur senkrecht zwischen den Wirkflächen übertragen werden, jedoch nicht in vertikaler Richtung, also nicht in Richtung der Schließkraft, in der es zu Verformungen des Formwergzeuges kommen kann. In vorliegenden Fall reicht eine Entkopplung in dieser Richtung, da eine Querkraft im Wesentlichen nur in vertikaler Richtung auftreten kann.
  • Somit ist gemäß der Erfindung sichergestellt, dass einerseits durch eine Trennebenenverlagerung die Schlitten und die daran befestigten Stempel ihre relative Lage, insbesondere ihre Koaxialität zum Werkstückende beibehalten, da diese über die in der Trennebene TE der Form 2 angeordneten Führung 11 mitbewegt werden und andererseits, dass die Abwärtsbewegung der Trennebene TE durch die Entkopplung in vertikaler Richtung nicht zu einer Kraftwirkung zwischen Antrieb 13 und Schlitten 12 führt, die eine senkrechte Komponente zur Schubrichtung entlang der Führung aufweist.
  • Somit werden gemäß der Erfindung Verzerrungen in der Form, der Führung und Undichtigkeiten zwischen Form bzw. Werkstückende und Stempel vermieden. Auch ist bei allen Ausführungen der Erfindung sichergestellt, dass durch die Stempel 4 und/oder 5 ein Nachdrücken von Werkstückmaterial bei der Umformung erfolgen kann, insbesondere in axialer Richtung des Werkstücks, bzw. exakt senkrecht zur Werkstenden-Öffnung.
  • Durch diese Genauigkeit ergibt sich auch die Möglichkeit Mikrobauteile zu formen, deren Umformung mit bekannten Vorrichtungen unmöglich war.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei alternative Formgestaltungen eines Befüllung und Druckbeaufschlagungsstutzens 5. Gemäß Figur 5 weist der Stutzen 5 eine sich verjüngende, insbesondere konische Spitze auf, sowie einen zentralen in die Spitze mündenden Kanal 5a. In der Figur 5 ist linksseitig die Situation vor Aufbringung eines Anpressdrucks auf ein Werkstückende 1 a zu erkennen, welches in dem Formwerkzeug 2 einliegt. Rechts ist die Situation bei Aufbringung eines Anpressdruckes zu erkennen. Ersichtlich wird hier durch die Spitze des Stempels 5 das Werkstückende 1a verformt, insbesondere aufgeweitet, wodurch sich eine besonders dichte Anlage ergibt. Durch die Spitze, die eine spitzere Konizität (kleineren Spitzenwinkel) aufweist, als der Formwerkzeugbereich 2c um das Werkstückende, wird erreicht, dass das Werkstückende zwischen dem vorderen Ende der Spitze und dem konischen Formwerkzeugbereich 2c eingeklemmt wird. Hierdurch ergibt sich eine optimale form- und/oder kraftschlüssige Dichtigkeit.
  • Die Figur 6 zeigt eine alternative Ausbildung des Stempels 5 bzw. ohne Kanal 5a auch des Dichtstempels 4. Auch hier hat der Stempel 5 eine konische Spitze 5b als Anlauffläche, um ein besseres Eintauchen in das Werkstückende 1a zu ermöglichen. Das vordere Ende des Stempels ist ebenso wie das Ende 1 a des Werkstücks 1, wenigstens einmal gestuft ausgeführt. Hierbei kann eine Stufe beim Werkstück einfach durch die Stirnfläche des Endes gebildet sein. Die Enden von Werkstück und Stempel sind hier hinsichtlich der zwei Stufen aneinander angepasst.
  • Durch diese Ausbildung kann bevorzugt erreicht werden, dass mittels eines solchen Stempels ein Nachschieben des Werkstückes 1 während der Umformung erfolgen kann.
  • Ein Hochdrucksystem zur Erzeugung von unter Druck stehendem Fluid kann in bekannter Weise, z.B. mit Pumpen, Filter, Ventilen ausgeführt sein.
  • Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen innerhalb des durch die Patentansprüche definierten Schutzbereichs.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung von Komponenten aus rohrförmigen Werkstücken, insbesondere Mikrokomponenten, umfassend ein wenigstens zweiteiliges Formwerkzeug, in welches ein Werkstück einlegbar ist, sowie Mittel zum Abdichten und/oder zur Druckbeaufschlagung des Werkstückes an den Werkstückenden, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formwerkzeug (2a, 2b) wenigstens eine Führung (11) angeordnet ist, auf der ein Schlitten (12) verschieblich ist, der Mittel (4,5) zum Abdichten und/oder zur Befüllung/Druckbeaufschlagung eines Werkstückendes (1a) trägt, wobei ein Schlitten (12) mittels eines getrennt zu der wenigstens einen Führung (11) angeordneten Antrieb (13,15) verschiebbar ist, der zumindest im Wesentlichen querkraftfrei an den Schlitten (12) gekoppelt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Führung (11) an wenigstens einem der Teile (2a) des Formwerkzeuges (2a, 2b) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Werkstückenden (1a) eine Führung (11) mit einem Schlitten (12) und ein Antrieb (13, 15) zugeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führung (11) in der Trennebene (TE) des Formwerkzeugs (2, 2a, 2b)) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Führung (11) durch ein Formwerkzeug (2a, 2b) hindurch erstreckt, insbesondere von einem Werkstückende (1a) zum einem anderem Werkstückende (1 a).
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Führung durch zwei, zumindest ausserhalb des Formwerkzeugs (2, 2a, 2b) parallele Stäbe (11) gebildet ist, insbesondere die von einem Schlitten (12) umgriffen sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (13,15) oder zumindest ein Halter (14) eines Antriebs (13, 15) mit einem Teil, insbesondere einem unteren Teil (2a) des Formwerkzeugs (2) auf einer gemeinsamen Grundplatte (6) angeordnet ist, insbesondere wobei auf einen oberen Teil (2b) des Formwerkzeugs (2) ein Schließdruck (P) aufgebracht wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließdruck (P) durch einen Antrieb (8, 10) aufgebracht wird, der über eine Gestell/Rahmenanordnung (9) mit der gemeinsamen Grundplatte (6) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen querkraftfreie Kopplung zwischen einem Antrieb (13, 15) und einem Schlitten (12) ausgebildet ist durch einen losen Kontakt zwischen Schlitten (12) und Antrieb (13,15).
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des losen Kontaktes querkraft- und/oder reibungsreduzierende Mittel (16,17) eingesetzt sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (16) ausgebildet sind als eine Rollen- (17) und/oder Kugellagerung, wobei insbesondere die Rollen (17) einer vertikalen Schließkraft (P) horizontal und senkrecht zur Schlittenbewegung zwischen den jeweiligen Kontaktflächen (15a, 12a) von Antrieb (13, 15) und Schlitten (12) angeordnet sind.
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