EP2353744A1 - Verfahren zum Umformen eines rotationsymmetrischen Hohlkörpers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Umformen eines rotationsymmetrischen Hohlkörpers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP2353744A1
EP2353744A1 EP10001004A EP10001004A EP2353744A1 EP 2353744 A1 EP2353744 A1 EP 2353744A1 EP 10001004 A EP10001004 A EP 10001004A EP 10001004 A EP10001004 A EP 10001004A EP 2353744 A1 EP2353744 A1 EP 2353744A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
forming
rotation
longitudinal axis
roller
Prior art date
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Withdrawn
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EP10001004A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Köstermeier
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REPKON MACHINE AND TOOL INDUSTRY AND TRADE INC.
Original Assignee
Repkon Machine And Tool Industry & Trade Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers

Definitions

  • the invention relates to methods and a corresponding apparatus for forming a workpiece according to the preamble of claim 1 and of claim 11.
  • the object of the invention is therefore to provide a method of the type mentioned, with which the friction losses in the manufacture of these workpieces can be significantly reduced and thus the energy required to produce the corresponding workpieces can be reduced.
  • the pressure forming rollers are formed obliquely relative to the workpiece to be machined during forming, ie the axis of rotation of the pressure roller is not parallel to the feed axis or machine axis of the device used.
  • the deformation is essentially a material displacement, which entails either a partial material elongation in the elastic region of the material or a spring-back of the machine system.
  • the displaced material must slide axially along the inlet slope of the forming roller U1 under high pressure, which leads to a punctual heating of this area.
  • This means for the forming process an increase of the forming force, which results from torque, axial feed force and radial contact pressure on the forming roller U1.
  • this deformation situation additionally has increased friction between the workpiece Ws and Tool mandrel Do result, which in turn causes wear on the surface of the mandrel Do.
  • FIGS. 8 and 9 indicated - the forming rollers U1 used during the flow-forming process so that they are exposed only to the reaction forces and the forming forces from rolling forming.
  • the preform Ws preferably a cylindrical tube, is mounted on the mandrel Do of the main spindle box Hs and the print head Dk of the tailstock Rs, FIG. 5 .
  • Main spindle box Hs and tailstock Rs each have a spindle, which are each connected centrally to the respective mandrel Do and print head Dk and provide for a centering of the preform Ws.
  • Mandrel Do and print head Dk are each movable parallel to the machine axis Lx or to the longitudinal axis of the preform Ws.
  • the forming units consisting of forming roller U1 and radial feed unit are arranged in a star shape to the longitudinal axis of the clamped preform Ws.
  • the axis of rotation L1 of the forming roller U1 is pivotally mounted and can be tilted relative to the machine longitudinal axis Lx.
  • the forming roller U1 is arranged with the radial feed unit perpendicular to the machine longitudinal axis Lx, rotated by an angle that not only compensates the slope of the spiral path described above (angle w1), but also ensures that, even at maximum axial feed the forming rollers U1 to the workpiece Ws, the forming roller U1 a clearance angle w2 (see. FIG. 2 and FIG.
  • the forming roll is "drawn" into the reshaped cross-section Q1 of the workpiece Ws by the torque of the workpiece Ws via the lead angle w1 and the lead angle w4 of the forming roll U1, so that the feed force on the rest Forming rollers is reduced.
  • the remaining residual cross section Q2 is formed by the remaining forming rollers.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Umformen eines Werkstücks wird das Werkstück (Ws) parallel zu einer Maschinenlängsachse (Lx) aufgespannt. Das Werkstück (Ws) wird durch radiales Andrücken von wenigstens einer Drückwalze (U1) und relatives Bewegen von Drückwalze (U1) und Werkstück (Ws) umgeformt. Die Drehachse (L1) der wenigstens einen Drückwalze (U1) ist gegenüber der Richtung der Maschinenlängsachse (Lx) um einen vorgegebenen Winkel geneigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11.
  • Beim Herstellen oder Bearbeiten von rotationssymmetrischen Hohlkörpern aus einer Vorform, insbesondere zum Anformen von Innenprofilen oder Innenverzahnungen, werden Drückwalzen eingesetzt, die durch das radiale Andrücken gegen ein rotierendes Werkstück dieses durch Querschnittsreduzierung verformen. Bei diesen Prozessen werden Drückwalzen und das umgeformte Material infolge hoher Reibungskräfte stark erwärmt. Dies führt zum einen dazu, dass die Umformgeschwindigkeiten und damit letztlich die Produktivität nicht unendlich gesteigert werden können, und dass bei starken Erwärmungen der Werkstoff Anlasstemperaturen erreicht und blau anläuft.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem sich die Reibungsverluste bei der Herstellung dieser Werkstücke erheblich reduzieren lassen und damit der benötigte Energieaufwand zur Herstellung der entsprechenden Werkstücke verringert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß werden die Drückwalzen beim Umformen gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück schräg angestellt, d.h. die Drehachse der Drückwalze ist nicht parallel zur Vorschubachse bzw. Maschinenachse der verwendeten Vorrichtung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 10 schematisch näher erläutert.
    • Figur 1 -
    zeigt die Bildung der senkrechten Kontaktfläche durch Werkstück und Umformrolle,
    Figur 2 -
    zeigt die Draufsicht auf den Kontaktbereich zwischen Werkstück und Umformrolle,
    Figur 3 -
    zeigt den axialen Vorschubweg der Umformrollen, der beim Durchlauf der Länge der Kontaktfläche zurückgelegt worden ist,
    Figur 4 -
    zeigt den Abstand der Umformrollen im Bogenmaß,
    Figur 5 -
    zeigt die eingespannte Vorform zwischen Hauptspindel und Reitstock,
    Figur 6 -
    zeigt einen Zustand während der Umformung,
    Figur 7 -
    zeigt die Lage der Umformrolle in senkrechter Stellung zur Maschinenlängsachse (Stand der Technik),
    Figur 8 -
    zeigt die erfindungsgemäß angeordnete Umformrolle; zur Verdeutlichung wurden die Steigungsspuren der Umformrollen jeweils auf dem Werkstück eingezeichnet,
    Figur 9 -
    zeigt eine Draufsicht auf eine das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Drückwalzmaschine,
    Figur 10 -
    zeigt eine Variante der in Figur 3 dargestellten Anordnung mit vorgezogener Umformrolle.
  • Bei den bekannten Verfahren zum Drückwalzen nach dem Stand der Technik, sind die Umformwalzen U1 senkrecht zur Vorschubrichtung angeordnet, wobei die Vorschubrichtung parallel zur Maschinenlängsachse Lx verläuft, wie in Figur 7 gezeigt. Das bedeutet für die Umformung, dass diese spiralförmig am Umfang des Werkstückes Ws verläuft, wie durch die Schraffur in Figur 7 angedeutet. Der Steigungswinkel w1 (vgl. Figur 2 und Figur 7) dieser Spirale errechnet sich aus Vorschub pro Umdrehung und dem Umfang des Werkstücks Ws1. Da die Umformrollen U1 in aller Regel in einem gleichmäßigen Abstand um das Werkstück Ws herum verteilt sind, verläuft der Umformanteil jeder Umformrolle U1 jeweils auf einer zur jeweiligen Umformrolle U1 zugehörigen, spiralförmigen Bahn.
  • Die Umformung ist im Wesentlichen eine Materialverdrängung, die entweder eine partielle Materiallängung im elastischen Bereich des Werkstoffes oder eine Auffederung des Maschinensystems nach sich zieht. Das verdrängte Material muss auf der Einlaufschräge der Umformrolle U1 unter hohem Druck axial entlang gleiten, was zu einer punktuellen Erwärmung dieses Bereiches führt. Dies bedeutet für den Umformprozess einen Anstieg der Umformkraft, die sich aus Drehmoment, axialer Vorschubkraft und radialer Anpresskraft an der Umformrolle U1 ergibt. Ferner hat diese Umformsituation zusätzlich eine erhöhte Reibung zwischen Werkstück Ws und Werkzeugdorn Do zur Folge, die wiederum einen Verschleiß an der Oberfläche des Werkzeugdornes Do nach sich zieht.
  • Erfindungsgemäß werden - wie in Figuren 8 und 9 angedeutet - die Umformrollen U1 während des Drückwalzvorganges so eingesetzt, dass sie nur den Reaktionskräften und den Umformkräften aus walzender Umformung ausgesetzt sind.
  • Die Vorform Ws, bevorzugt ein zylindrisches Rohr, wird auf den Dorn Do des Hauptspindelkastens Hs und den Druckkopf Dk des Reitstocks Rs aufgespannt, Figur 5. Hauptspindelkasten Hs und Reitstock Rs weisen jeweils eine Spindel auf, welche jeweils zentrisch mit dem jeweiligen Dorn Do und Druckkopf Dk verbunden sind und die für eine Zentrierung der Vorform Ws sorgen. Dorn Do und Druckkopf Dk sind jeweils parallel zur Maschinenachse Lx bzw. zur Längsachse der Vorform Ws verfahrbar.
  • Die Umformeinheiten, bestehend aus Umformrolle U1 und radialer Vorschubeinheit, sind sternförmig zur Längsachse der eingespannten Vorform Ws angeordnet. Die Drehachse L1 der Umformrolle U1 ist schwenkbar gelagert und lässt sich relativ zur Maschinenlängsachse Lx kippen. Bei dem erfindungsgemäßen Umformvorgang wird die Umformrolle U1 mit der radialen Vorschubeinheit senkrecht zur Maschinenlängsachse Lx angeordnet, um einen Winkel gedreht, der nicht nur die oben beschriebene Steigung der spiralförmigen Bahn kompensiert (Winkel w1), sondern auch sicherstellt, dass, auch bei maximalem axialen Vorschub der Umformrollen U1 zum Werkstück Ws, die Umformrolle U1 einen Freiwinkel w2 (vgl. Figur 2 und Figur 8) aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass während der Umformung die Umformrolle U1 lediglich radiale Kräfte aus dem Walzvorgang und dem Einlaufwinkel aufnehmen muss. Das Anstellen der Drehachse L1 jeder Umformrolle U1 erfolgt dabei so, dass die durch die Drehachse L1 und die Maschinenlängsachse definierten Geraden zueinander windschief verlaufen, wobei der geringste Abstand durch die Summe der Radien des Werkstücks Ws und der Umformrolle U1 gegeben ist. Die Drehrichtung, in welcher die Anstellung der Drehachse L1 erfolgt, ist dabei abhängig von der Drehrichtung P1 des in Richtung P2 vorgeschobenen Werkstücks Ws beim Umformen.
  • Mit dem Freiwinkel w2 ist gewährleistet, dass während die Umformrolle U1 walzend den Werkstückdurchmesser d reduziert, gleichzeitig keine Materialanteile aus axialer Richtung unter die Einlaufschräge der Umformrolle U1 gepresst werden.
  • Damit wird auch verhindert, dass Materialanteile senkrecht zur Walzrichtung der Umformrolle U1 auf die Einlaufschräge treffen und mit zunehmender Länge der Kontaktfläche nicht mehr voll von der Walzwirkung der Umformrolle U1 erfasst werden, so dass im Bereich der axialen Ebene des maximalen Durchmessers der Umformrolle U1 deren Walzwirkung gegen Null geht.
  • Durch Vorsehen des Freiwinkels w2 entfällt die Materialverdrängung, die entweder eine partielle Materiallängung im elastischen Bereich des Werkstoffes oder eine Auffederung des Maschinensystems nach sich zieht.
  • Des weiteren wird mit dem Freiwinkel w2 vermieden, dass das verdrängte Material auf der Einlaufschräge unter hohem Druck axial entlang gleiten muss, was zu einer punktuellen Erwärmung dieses Bereiches führt, da diese Art der Materialverdrängung nicht mehr stattfindet.
  • Dies bedeutet für den Umformprozess eine Verringerung der Umformkraft, die sich aus Drehmoment, axialer Vorschubkraft und radialer Anpresskraft an der Umformrolle U1 ergibt. Ferner entsteht in dieser Umformsituation keine zusätzlich erhöhte Reibung zwischen Werkstück Ws und Werkzeugdorn Do. Damit wird auch ein Verschleiß an der Oberfläche des Werkzeugdornes Do vermieden.
  • Aus der Reduzierung von Vorschubkraft, Antriebsleistung und der Verminderung der Reibung am Werkzeugdorn Do ergibt sich erfindungsgemäß insgesamt eine geringere Wärmeentwicklung am Werkstück Ws während der Umformung. Diese geringere Wärmeentwicklung führt dazu, dass mit höheren Vorschubwerten gefahren werden kann und so eine Reduzierung der Umformzeiten des Werkstückes Ws möglich wird.
  • Die nicht vorhandene axiale und radiale Verdrängung des Materials führt auch zu einer Reduzierung der Herstellungstoleranzen und einer höheren Qualität der geformten Werkstücke Ws1. Da die Reaktionskräfte aus der axialen Materialverdrängung entfallen, entfällt auch die anteilige Auffederung der Maschine aus diesem Bereich.
  • Bei einer Variante der Erfindung ist, wie in Figur 10 gezeigt, vorgesehen, mindestens eine der Umformrollen U1.1 gegenüber den übrigen Umformrollen/Drückwalzen U1 in axialer Richtung, d.h. in Richtung Lx der Maschinenachse versetzt anzuordnen. Bevorzugt beträgt dieser Versatz ein Vielfaches e2 (= n x e1, n ganze Zahl) des axialen Vorschubes e1 je Umformrolle U1 und Werkstückdrehung. Durch dieses Vorziehen/Versetzen wird die Umformrolle nach dem Eindringen in den Werkstoff über den Steigungswinkel w1 und den Auslaufwinkel w4 der Umformrolle U1 durch das Drehmoment des Werkstückes Ws in den umzuformenden Querschnitt Q1 des Werkstückes Ws "hineingezogen", so dass die Vorschubkraft auf die restlichen Umformrollen reduziert wird. Der verbleibende Restquerschnitt Q2 wird von den übrigen Umformrollen umgeformt.
    • Bezugszeichenliste
    • B1
    Durchmesser der Vorform
    Hs
    Hauptspindelkasten
    Rs
    Reitstock
    Dk
    Druckkopf
    Ul
    Umformrolle
    U1.1
    vorgezogene Umformrolle
    Ws
    Werkstück
    Wsl
    teilweise umgeformtes Werkstück
    Lx
    Maschinenlängsachse MA
    U
    Durchmesser der Umformrolle
    a1
    Länge der Kontaktfläche
    e1
    Vorschubweg der Umformrolle im Bereich der Kontaktfläche
    e2
    Vielfaches des Vorschubes je Umformrolle und Drehung des Werkstückes
    d
    geformter Durchmesser am Werkstück
    s1
    Bogenmaß zwischen den Umformrollen bei mehr als einer Umformrolle
    w1
    Steigungswinkel
    w2
    Freiwinkel
    w3
    Einlaufwinkel der Umformrolle
    w4
    Auslaufwinkel der Umformrolle
    v
    Vorschubgeschwindigkeit
    t
    Zeit in dem die Umformrolle dem axialen Vorschub senkrecht ausgesetzt ist beim Durchlaufen der Länge der Kontaktfläche
    P1
    Drehrichtung des Werkstücks
    P2
    Vorschubrichtung

Claims (12)

  1. Verfahren zum Umformen eines Werkstücks, bei welchem das Werkstück (Ws) parallel zu einer Maschinenlängsachse (Lx) aufgespannt und das Werkstück (Ws) durch radiales Andrücken von wenigstens einer Drückwalze (U1) und relatives Bewegen von Drückwalze (U1) und Werkstück (Ws) umgeformt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drehachse (L1) der wenigstens einen Drückwalze (U1) gegenüber der Richtung der Maschinenlängsachse (Lx) um einen vorgegebenen Winkel geneigt ist
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die wenigstens eine Drehachse (L1) der wenigstens einen Drückwalze (U1) so angeordnet ist, dass eine erste Ebene, welche normal zur Drehachse (L1) liegt, und eine zweite Ebene, welche normal zur Maschinenlängsachse (Lx) liegt, einen vorgegebenen Winkel zueinander bilden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Mehrzahl Drückwalzen (U1) vorgesehen ist, deren Drehachsen (L1) normal zur ersten Ebene liegen.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Neigungswinkel in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit (v) zwischen Drückwalze (U1) und Werkstück (Ws) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Neigungswinkel in Abhängigkeit des Durchmessers (B1; d) des Werkstücks (Ws) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Neigungswinkel in Abhängigkeit des Durchmessers (U) der Drückwalze(U1) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Neigungswinkel in Abhängigkeit der für den Umformvorgang vorgesehenen Werkstückdrehzahl bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drehachse (L1) einer Umformrolle (U1) gegenüber der Maschinenlängsachse (Lx) so angestellt wird, dass der geringste Abstand zwischen den durch die Drehachse (L1) und die Maschinenlängsachse (Lx) gleich der Summe der Radien der Umformrolle (U1) und des Werkstücks (Ws) ist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Richtung der Neigung jeder Drehachse (L1) abhängig von der Drehrichtung des Werkstücks (Ws) beim Umformvorgang gewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Umformrolle, bevorzugt um ein Vielfaches des Vorschubes je Umformrolle und Werkstückumdrehung, gegenüber den restlichen Umformrollen in Richtung der Maschinenlängsachse (Lx) vorgezogen ist.
  11. Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks (Ws), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Dorn (Do) zum Aufspannen eines Werkstücks (Ws) und Drückwalzen (U1) zum radialen Andrücken an das Werkstück (Ws) und Umformen desselben, wobei Dorn (Do) und Drückwalzen (U1) relativ zueinander in einer Richtung parallel zur Maschinenlängsachse (Lx) der Vorrichtung bewegbar ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drückwalzen (U1) so gelagert sind, dass ihre Drehachsen (L1) relativ zur Maschinenlängsachse (Lx) der Vorrichtung in einem vorgegebenen Winkel anstellbar sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens eine der Drückwalzen (U1.1) relativ zu den übrigen Drückwalzen (U1) in Richtung der Maschinenlängsachse (Lx) verschieblich ausgebildet ist.
EP10001004A 2010-02-02 2010-02-02 Verfahren zum Umformen eines rotationsymmetrischen Hohlkörpers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Withdrawn EP2353744A1 (de)

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