EP3119539B1

EP3119539B1 - Umformwerkzeug für ein werkstück und vorrichtung zum verformen eines werkstücks mit einem derartigen werkzeug

Info

Publication number: EP3119539B1
Application number: EP15712108.8A
Authority: EP
Inventors: Gerd Berghaus; Harald Pott; Heinz-Werner Papenhoff; Alexander Erbe
Original assignee: Voss Fluid GmbH
Current assignee: Voss Fluid GmbH
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: WO2015140280A1; CN106102950A; DE102014103799B4; DE102014103799A1; CN106102950B; ES2785548T3; BR112016017295B1; US20170095851A1; US20200001341A1; US10449588B2; EP3119539A1; PL3119539T3; US11491526B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks mit einer durch den Druck eines Fluids betätigbaren Umformbaugruppe und mit einer auf einer gemeinsamen Längsachse angeordneten, durch den Druck des Fluids betätigbaren Spannbaugruppe.
Darin wird ein Umformwerkzeug für ein Werkstück, insbesondere zum plastischen Umformen eines Rohrendes, eingesetzt, mit einer mehrere Spannsegmente umfassenden Spanneinrichtung für das Werkstück und mit einem Stauchkopf, welcher insbesondere auf einer Seite eine Vertiefung zur Ausbildung einer zu formenden Kontur des Werkstücks und auf der gegenüberliegenden Seite ein Befestigungsmittel zum Anschluss an einen Umformkolben einer Vorrichtung zum Verformen des Werkstücks aufweist.
Ein Umformwerkzeug und eine Vorrichtung der genannten Art sind aus der EP 1 494 827 B1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt eine Vorrichtung zum Verformen von Werkstücken, insbesondere zum plastischen Umformen von Rohrenden, mit einer durch den Druck eines Fluids betätigten Umformbaugruppe - dort als Umformeinheit bezeichnet - und mit einer auf einer gemeinsamen Längsachse angeordneten, durch den Druck eines Fluids betätigten Spannbaugruppe - dort als Vorspanneinheit bezeichnet - wobei konisch ausgebildete Spannelemente für das Werkstück vorgesehen sind. Zur Umformung wird dabei ein Werkzeugsatz eingesetzt, der aus einem Stauchkopf als Stauchwerkzeug und aus einer Spanneinrichtung besteht, der die Spannelemente zugehörig sind. Der Stauchkopf beinhaltet auf einer Seite eine Vertiefung, die eine Gegenkontur der zu formenden Rohrkontur bildet, und auf der Gegenseite ein Befestigungsmittel, das an einer korrespondierenden Anschlussstelle eines Kolbens der Umformbaugruppe, z. B. in einer T-Nut, befestigt werden kann. Die Spanneinrichtung ist insbesondere aus mehreren, vorzugsweise vier, ringförmig angeordneten Segmenten gebildet, die als Spannbacken fungieren. Diese sind üblicherweise über Zylinderstifte geführt und über zwischen ihnen angeordnete Druckfedern im unbelasteten Zustand in einer Öffnungsposition gehalten. Sie wirken mit einer Konusfläche in einer Öffnung einer Jochplatte der Umformbaugruppe der Vorrichtung zum Umformen zusammen und besitzen dazu ebenfalls konisch ausgebildete Außenflächen. Mit ihrer meist leicht aufgerauten oder verzahnten Innenseite drücken die Spannbacken beim Einspannen auf das Rohr.
Für den technologisch wichtigen Schritt des Werkzeugwechsels wird in der genannten EP 1 494 827 B1 ausgeführt, dass vorteilhafterweise eine Demontage von Vorrichtungskomponenten zum Werkzeugwechsel nicht erforderlich sei und in einer Werkzeugwechselposition die Werkzeuge - Stauchkopf und Spanneinrichtung - von oben in korrespondierende Aufnahmen der Umformvorrichtung eingelegt werden können, wobei eine gute Zugänglichkeit zum Werkzeugraum gegeben ist.
Im Detail kann beim Werkzeugwechsel - was in dem genannten Dokument nicht beschrieben, jedoch von einer auf dem Markt befindlichen Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks bekannt ist - der Ablauf einer Werkzeugumrüstung in konstruktiv einfacher Ausführung durch folgende Schritte gekennzeichnet sein: Öffnen einer Werkzeugwechselschieberklappe eines von der Grundform her zylindrischen, den Stauchkopf und die Spannbacken in ihrer Arbeitsposition umgebenden Gehäuses der Umformvorrichtung durch Aufziehen von Hand, Einlegen bzw. Wechseln der Spanneinrichtung, Einlegen bzw. Wechseln des Stauchwerkzeugs, z. B. durch Einfügen in die T-Nut, Schließen der Werkzeugwechselschieberklappe durch Zuschieben von Hand.
Der Ablauf stellt dabei eine bereits optimierte Variante zu einem vergleichsweise aufwändigeren bekannten Ablauf der Werkzeugumrüstung dar, der beispielsweise bei einer Vorrichtung gemäß der EP 1 311 358 B1 praktikabel ist und, insbesondere zur Gewährleistung einer hohen Montagesicherheit, folgende Schritte umfasst: Aufschrauben eines von der Grundform her kegelstumpfartigen Gehäuses der Umformvorrichtung für den Stauchkopf und die Spannbacken, Einsetzen bzw. Wechseln der Spanneinrichtung, Einschrauben bzw. Wechseln des Stauchwerkzeugs mittels eines Spezialschlüssels, Wiederverschließen und Verschrauben des Gehäuses. Hierbei besteht die Gefahr, dass die Spannbacken-Segmente auseinander fallen, da sie üblicherweise bei der Montage nur durch einen Gummiring zusammengehalten werden. Darüber hinaus ist der Wechsel aufgrund des erforderlichen Werkzeugeinsatzes zeitaufwendig.
Nachteilhaft an beiden Varianten ist, dass durch den für den Werkzeugwechsel notwendigen Platzbedarf der Umformbereich relativ groß ist, was zu Einschränkungen von möglichen Biegegeometrien eines umzuformenden Rohres führt, und dass eine Verwechslungsgefahr von jeweils einander zugeordneten Paarungen von Stauchkopf und Spanneinrichtung besteht.
Die DE 100 40 595 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren zum Umformen eines Endbereichs eines Werkstücks, insbesondere zum Kalt-Pressumformen eines Rohrendbereichs, wobei ein erstes hydrodynamisch betätigbares Kraftübertragungselement zum Einspannen des Werkstücks und ein zweites hydrodynamisch betätigbares Kraftübertragungselement, durch dessen Krafteinwirkung die Umformung erzielt wird, vorgesehen sind. Die Umformvorrichtung weist dabei in ihrer konkreten Ausführung ein zweiteiliges Gehäuse auf, das aus einem Basisgehäuse und aus einem Aufnahmegehäuse gebildet ist. Das Basisgehäuse weist eine zentrale zylindrische Bohrung auf, in der ein äußerer Kolben und ein innerer Kolben geführt sind. Über eine Drehverriegelung ist damit ein Stauchwerkzeug verbindbar. Das Aufnahmegehäuse bildet einen Aufnahmeraum für Spannbacken, die durch Betätigung des äußeren Kolbens betätigbar sind. Die Montage des Umformwerkzeugs ist nicht im Detail beschrieben, erscheint jedoch bei einer Analyse der Zeichnungsfiguren montagetechnisch aufwändig.
Auch die US 5 134 872 A beschreibt eine gattungsgemäße hydraulische Spannvorrichtung zum Erweitern eines Rohrendes. Die Vorrichtung weist ein Rohraufnahmeende auf, in das das aufzuweitende Rohr eingefügt wird. In einem Futter ist ein Hauptkolben enthalten, der unter der Fluidwirkung in Richtung des Rohraufnahmeendes vor und wieder zurück bewegt werden kann. An einem Ende des Hauptkolbens befindet sich eine über eine Schraube befestigte Kugel zur Aufweitung des Rohres. Innerhalb eines Gehäuses befinden sich die Spannzangen, die über ein Betätigungsglied angetrieben werden, welches wiederum mit einem hohlen Betätigungskolben verschraubt ist, in dessen Inneren der Hauptkolben gleitet. Auch für diese Vorrichtung erscheint aufgrund der vielen miteinander zu verbindenden Einzelteile der Montage- sowie auch Demontageaufwand unvorteilhaft groß.
Die britische Offenlegungsschrift GB 2 352 665 A betrifft ein Stauchwerkzeug, insbesondere zum Bereitstellen eines Stauchendes an einem Rohr, um eine Verbindung für ein Verlängerungsstück bereitzustellen. Um vor Ort ein solches Verlängerungsstück an einem Rohr anzubringen, muss zunächst ein tragbares Werkzeug zum Rohr gebracht werden. Bei solchen tragbaren Werkzeugen wurde vor der Anmeldung des Schutzrechts eine Punktbelastung eingesetzt, um das Rohr während des Stauchens gegen eine Bewegung zu sichern, wobei die Punktbelastung häufig das Rohr selbst beschädigte. Die Aufgabe, welche mit dem Gegenstand der GB 2 352 665 A gelöst werden sollte, bestand darin, diesen Nachteil zu vermeiden. Zu Lösung dieser Aufgabe wird eine Konstruktion beschrieben, die ein Gehäuse mit einer Bohrung an einem Ende des Gehäuses, die zu einem Hohlraum führt, der sich zu dem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses erstreckt, sowie eine Kappe aufweist. Des Weiteren ist am Ende des Gehäuses in dessen Hohlraum eine Klemmeinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, ein Rohr oder eine Leitung in einer Position zu halten, um daran ein gestauchtes Ende zu erzeugen. Außerdem ist eine Aussparung in der Klemmeinrichtung vorgesehen, die mit dem Rohr- oder Leitungsende zusammenwirkt, wenn dieses durch die Klemmeinrichtung eingeführt wird, und die die Bildung des gestauchten Endes ermöglicht. Schließlich umfasst das Werkzeug ein Stauchelement, das mit der Kappe zusammenwirkt und mit dem Ende des Rohres oder der Leitung in Eingriff kommt, wodurch das gestauchte Ende am Ende des Rohres oder der Leitung hergestellt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei Gewährleistung einer hohen Montagesicherheit durch einen geringen Montageaufwand bei einem Werkzeugwechsel auszeichnen und die Nachteile des vorstehend beschriebenen Standes der Technik vermeiden.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 erreicht.
Insgesamt handelt es sich demnach erfindungsgemäß um eine Vorrichtung zum Verformen eines Werkstücks mit einer durch den Druck eines Fluids betätigbaren Umformbaugruppe und mit einer auf einer gemeinsamen Längsachse angeordneten, durch den Druck des Fluids betätigbaren Spannbaugruppe, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine auswechselbare Werkzeugeinheit und durch eine Zylindereinheit, die als eine von der auswechselbaren Werkzeugeinheit separat handhabbare vormontierte Einheit ausgebildet ist, wobei die auswechselbare Werkzeugeinheit ein Umformwerkzeug für das Werkstück ist, das auf der gemeinsamen Längsachse der Umformbaugruppe und der Spannbaugruppe angeordnet ist und eine Spanneinrichtung mit mehreren Spannsegmenten für das Werkstück und einen Stauchkopf umfasst, welcher auf einer Seite eine Vertiefung zur Ausbildung einer zu formenden Kontur des Werkstücks und auf der gegenüberliegenden Seite ein Befestigungsmittel zum Anschluss an einen Umformkolben der Umformbaugruppe aufweist, wobei der Stauchkopf und die Spanneinrichtung in dem die Werkzeugeinheit bildenden Umformwerkzeug relativ zueinander axial beweglich umfangsgemäß konstruktiv miteinander verbunden sind und wobei die Zylindereinheit mit einem Gehäuse oder zumindest mit einem Gehäuseteil ausgebildet ist und den Umformkolben umfasst, der in einem Kolbenraum axial beweglich geführt ist.
Darin ist also als wichtiges Merkmal vorgesehen, dass der Stauchkopf und die Spanneinrichtung des Umformwerkzeugs relativ zueinander axial beweglich in einer einzigen Werkzeugeinheit umfangsgemäß konstruktiv miteinander verbunden sind. Des Weiteren ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Umformwerkzeug auf der gemeinsamen Längsachse von Umformbaugruppe und Spannbaugruppe angeordnet.
Die Montage bzw. ein Werkzeugwechsel gestalten sich in der erfindungsgemäßen Verformungsvorrichtung denkbar einfach, indem die den Stauchkopf und die Spanneinrichtung umfassende Werkzeugeinheit als Ganzes in bzw. an einer komplementären Zylindereinheit montiert bzw. ausgetauscht wird. Die Zylindereinheit ist dabei vorzugsweise als eine separat von dem Umformwerkzeug handhabbare vormontierte Einheit mit einem Gehäuse oder zumindest mit einem Gehäuseteil ausgebildet und umfasst zumindest einen Umformkolben, der in einem Kolbenraum axial beweglich geführt ist. Zur Verbindung mit der den Stauchkopf und die Spanneinrichtung umfassenden Werkzeugeinheit weist die Zylindereinheit eine Werkzeugaufnahme auf, die über geeignete Verbindungsmittel, beispielsweise über eine oder mehrere Schrauben, ihrerseits mit dem Umformkolben verbunden ist.
Als Vorteil der Erfindung ist dabei neben einem vereinfachten Ablauf des Werkzeugwechsels die Vermeidung einer Verwechslungsgefahr von in Paarungen zueinander gehörigen Teilen, insbesondere größenmäßig relativ zur Rohrgeometrie, wie Außen- und Innendurchmesser des Rohres auswählbaren, einander zugeordneten Spannsegmenten und Stauchköpfen. Weiterhin vorteilhaft ist die Möglichkeit der Ausführung der erfindungsgemäßen Umform-Werkzeugeinheit in äußerst kompakter Bauform hervorzuheben, was bei einer Rohrumformung eine größere Zahl von möglichen Geometrien realisierbar macht.
Was die axiale Beweglichkeit von Stauchkopf und Spanneinrichtung zueinander betrifft, so kann diese z. B. darin bestehen, dass beide Teile axial beweglich sind, aber insbesondere auch darin, dass nur der Stauchkopf axial beweglich ist, wobei die Spanneinrichtung, insbesondere deren Spannsegmente, zumindest jeweils zur Erfüllung ihrer Funktion eine radiale Beweglichkeit aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsdetails und -formen der erfindungsgemäßen, aus dem Stauchkopf und der konstruktiv mit diesem verbundenen Spanneinheit gebildeten Umform-Werkzeugeinheit sowie der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung mit dieser Umform-Werkzeugeinheit sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthalten.
Anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor der Montage eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs,
Fig. 2: in einer Fig. 1 entsprechenden perspektivischen Darstellung, eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs vor der Montage an der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer ersten Ausführung nach Fig. 1,
Fig. 3: eine weitere perspektivische Darstellung der in Fig. 2 dargestellten, ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs, jedoch aus anderem Blickwinkel,
Fig. 4: einen Längsschnitt durch die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Montageposition für das Umformwerkzeug,
Fig. 5: einen Längsschnitt durch die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Arbeitsposition,
Fig. 6: in einer ähnlichen perspektivischen Darstellung wie in Fig. 2, eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs vor der Montage an der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer zweiten Ausführung nach Fig. 7,
Fig. 7: in einer perspektivischen Darstellung, die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs nach Fig. 6 bei der Montage in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der zweiten Ausführung,
Fig. 8: in der Vorderansicht, einen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Vorliegen der Montageposition des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs,
Fig. 9: in einer Fig. 8 entsprechenden Draufsicht, einen weiteren Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Vorliegen der Montageposition des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs,
Fig. 10: in einer Darstellung wie in Fig. 9 einen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Vorliegen der Arbeitsposition des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs.

Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher im Folgenden in der Regel jeweils auch nur einmal beschrieben.
Wie zunächst Fig. 1, aber dann auch insbesondere Fig. 4 und 5 für eine erste Ausführung der Erfindung zeigen, umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Verformen eines Werkstücks 2, bei dem es sich - wie in Fig. 5 dargestellt - bevorzugt um ein Rohr handeln kann, eine durch den Druck eines Fluids F betätigte Umformbaugruppe und eine auf einer gemeinsamen Längsachse X-X angeordnete, durch den Druck des Fluids F betätigte Spannbaugruppe.
Den beiden Baugruppen sind jeweils entsprechend ihrer Funktion verschiedene Bauteile zugeordnet, die nachfolgend noch konkretisiert beschrieben werden. Diese Bauteile befinden sich teilweise in einem erfindungsgemäß als eine einzige Werkzeugeinheit ausgebildetem Umformwerkzeug 3 (Fig. 2, 3) und teilweise in einer Zylindereinheit 4 (Fig. 1), die das erfindungsgemäße Umformwerkzeug 3 nach seiner Montage aufnimmt und mit diesem zusammen die erfindungsgemäße Umformvorrichtung 1 ausbildet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 können den beiden Baugruppen jeweils folgende Bauteile zugeordnet werden.
Die Umformbaugruppe umfasst als Hauptbestandteil einen in der Zylindereinheit 4 angeordneten Umformkolben 5, der unter dem Druck eines Fluids F in einem Umformkolbenraum 6 entlang der Längsachse X-X längsverschieblich ist. Der Umformkolben 5 ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, als gestufter Vollzylinder ausgebildet.
Des Weiteren umfasst die Umformbaugruppe eine ebenfalls in der Zylindereinheit 4 angeordnete Werkzeugaufnahme 7, die - insbesondere über eine Zylinderkopfschraube 8 - mit dem Umformkolben 5 verbunden ist.
Schließlich umfasst die Umformbaugruppe einen dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug 3 zugehörigen Stauchkopf 9. Dieser Stauchkopf 9 weist insbesondere auf einer Stirnseite eine Vertiefung 10 zur Ausbildung einer zu formenden Kontur des Werkstücks 2 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Befestigungsmittel 11 zum - im dargestellten Fall über die Werkzeugaufnahme 7 mittelbaren - Anschluss an den Umformkolben 5 auf. Der Stauchkopf 9 ist von seiner Grundgestalt her bevorzugt ebenfalls vollzylindrisch ausgebildet. Das Befestigungsmittel 11 ist dadurch gebildet, dass der Stauchkopf 9 eine Umfangsnut 12 aufweist, so dass seine Kontur im Bereich seiner Stirnfläche - im Längsschnitt gesehen - T-förmig ausgebildet ist. Mit diesem T-förmigen Befestigungsmittel 11 kann der Stauchkopf 9 in eine korrespondierende - d. h. formangepasste -T-Nut 13 der Werkzeugaufnahme 7 eingreifen. Die nach oben hin offene, axial durch einen Steg 13a begrenzte Nut 13 erstreckt sich dabei - wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist - umfangsgemäß über einen derart über 180° großen Winkelbereich der Werkzeugaufnahme 7, dass einerseits ein Einfügen des Befestigungsmittels 11 in die Nut 13 problemlos möglich ist, dieses aber andererseits nach seinem Einfügen formschlüssig in der Nut 13 festgehalten wird.
Wenn der Umformkolben 5 unter der Druckwirkung des Fluids F eine dem Zweck des Umformens des Werkstücks 2 dienende axiale Bewegung ausführt, bewegen sich alle beweglichen Teile der Umformbaugruppe axial in Richtung auf das Werkstück 2 zu, also mit dem Kolben 5 die über die Zylinderkopfschraube 8 daran befestigte Werkzeugaufnahme 7 und schließlich der Stauchkopf 9.
Die Spannbaugruppe umfasst als Hauptbestandteil einen in der Zylindereinheit 4 angeordneten Spannkolben 15, der unter dem Druck des Fluids F in einem Spannkolbenraum 16 entlang der Längsachse X-X längsverschieblich ist. Der Spannkolben 15 ist - wie aus der Zeichnung ersichtlich - als ein radial außen und innen gestufter Ringzylinder ausgebildet. Der Spannkolben 15 umgibt umfangsgemäß das dem Werkstück 2 zugewandte Ende des konzentrisch mit ihm angeordneten Umformkolbens 5 und auch die mit diesem verbundene Werkzeugaufnahme 7 und ist gegenüber diesen Teilen 5, 7 relativbeweglich.
Der Spannkolbenraum 16 ist zur In-Gang-Setzung seiner Bewegung über einen Fluideintritt 16a separat vom Umformkolbenraum 6 mit dem Fluid F beaufschlagbar, wobei der Umformkolbenraum 6 im Gegensatz dazu zwei Fluideintrittsstellen 6a, 6b aufweist - eine erste Fluideintrittsstelle 6a zur Initiierung der Umformbewegung und eine zweite Fluideintrittsstelle 6b zur Initiierung der Rückbewegung des Umformkolbens 5.
Der Spannkolben 15 bedarf zum Antrieb seiner Rückbewegung keiner Beaufschlagung durch das Fluid F, da er über eine radial innen liegende Stufe 15a mitgenommen wird, wenn sich der Umformkolben 5 mit der daran befestigten Werkzeugaufnahme 7 zurückbewegt und dabei diese Stufe 15a axial an einem radialen Überstand 7a der Werkzeugaufnahme 7 gegenüber dem Umformkolben 5 zum Anschlag kommt.
Des Weiteren umfasst die Spannbaugruppe eine dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug 3 zugehörige Spanneinrichtung 17, welche mehrere, ringförmig angeordnete Spannsegmente 18 umfasst. Die Spanneinrichtung 17 kann vorzugsweise vier ringförmig angeordnete Segmente 18 aufweisen, die als Spannbacken fungieren, welche im unbelasteten Zustand - wie an sich bekannt - vorzugsweise mittels zwischen ihnen angeordneter, zeichnerisch nicht dargestellter Druckfedern in einer Öffnungsposition gehalten werden können.
Schließlich umfasst die Spannbaugruppe einen ebenfalls dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug 3 zugehörigen Haltering 19, an dessen einem axialem Ende die Spanneinrichtung 17 auf seiner Stirnfläche aufruht, während an seinem anderem axialem Ende der Stauchkopf 9 axial verschieblich, jedoch durch eine beidseitige Anschlagsbegrenzung dieser Bewegung, im Ringinneren unverlierbar gehalten ist. Die Anschläge werden dabei auf der einen Seite des Stauchkopfs 9 einerseits durch einen radial innen liegenden umlaufenden Randsteg 19a des Halteringes 19 und andererseits durch einen komplementären, außen liegenden umlaufenden Randsteg 9a des Stauchkopfs 9 gebildet, und auf der anderen Seite des Stauchkopfs 9 einerseits durch eine Bodenfläche 18a der Spannsegmente 18 und andererseits durch eine die Vertiefung 10 zur Ausbildung der Werkstückkontur umgebende Ringfläche 9b des Stauchkopfs 9.
Wenn der Spannkolben 15 unter der Druckwirkung des Fluids F eine dem Zweck des Spannens des Werkzeugs 2 dienende axiale Bewegung ausführt, bewegen sich alle beweglichen Teile der Spannbaugruppe in Richtung auf das Werkstück 2 zu, also mit dem Kolben 15 der Haltering 19 und schließlich die Spanneinrichtung 17.
Die Teile der Umformbaugruppe und die Teile der Spannbaugruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind von einem Gehäuse 20 umgeben, welches in der ersten Ausführung mehrteilig ausgeführt ist und sowohl bei der Funktionserfüllung der Teile der Umformbaugruppe, als auch der Teile der Spannbaugruppe mit diesen zusammenwirkt.
So bildet das Gehäuse 20 in der Zylindereinheit 4 mittels eines ersten hohlzylindrisch ausgebildeten Gehäuseteiles 20a die Wandung für den Umformkolbenraum 6, in der sich die beiden Fluideintrittsstellen 6a, 6b befinden. Außerdem bildet das Gehäuse 20 in der Zylindereinheit 4 mittels des ersten Gehäuseteiles 20a die Wandung für den Spannkolbenraum 16, wobei sich darin der Fluideintritt 16a des Spannkolbenraumes 16 befindet.
In der Werkzeugeinheit 3 bildet das Gehäuse 20 mittels eines zweiten Gehäuseteiles 20b, das in einem ersten axialen Abschnitt hohlzylindrisch und in einem zweiten, an den ersten angrenzenden Spitzenabschnitt als hohler Kegelstumpf ausgebildet ist, die Wandung der Werkzeugeinheit 3. Der kegelstumpfförmige Abschnitt verjüngt sich konisch - sowohl innen, als auch außen - von der Zylindereinheit 4 wegweisend. Die Spannsegmente 18 der Spanneinrichtung 17 weisen außenseitig jeweils eine korrespondierende Konusfläche 18b auf, die an der inneren konisch ausgebildeten Fläche 21 des zweiten Gehäuseteiles 20b anliegt und mit dieser zusammenwirkt. Bei einem axialen Druck auf die Bodenflächen 18a der Spannsegmente 18 bewegen sich diese einerseits in axialer Richtung X-X, andererseits werden sie durch die Keilwirkung der beiden Flächen 18b, 21 radial nach innen gedrückt, wobei sie mit ihren vorzugsweise aufgerauten oder verzahnten Innenseiten 18c beim Einspannen als Spannbacken auf das Werkstück 2, wie das in Fig. 5 gezeigte Rohrende, drücken.
Hieraus wird deutlich, dass das Gehäuse 20 vorzugsweise auch für die Erfüllung der Spannfunktion der Spannbaugruppe von Bedeutung ist.
Außerdem erfüllt der zweite Gehäuseteil 20b des Gehäuses 20 mit Vorteil eine Funktion im Hinblick darauf, dass der Stauchkopf 9 und die Spanneinrichtung 17 in einer einzigen Werkzeugeinheit 3 konstruktiv miteinander verbunden sind. Es ist unter diesem Gesichtspunkt bei der Beschreibung der Spannbaugruppe bereits ausgeführt worden, dass der Stauchkopf 9 im Inneren des Halterings 19 axial verschieblich, jedoch mit beidseitiger Anschlagsbegrenzung unverlierbar gehalten ist. Diese Baueinheit von Stauchkopf 9 und Haltering 19 ist zusammen mit der - vorzugsweise nicht mit dem Haltering 19 fest verbundenen - Spanneinrichtung 17 zunächst einerseits formschlüssig in dem zweiten Gehäuseteil 20b gehalten. Dabei ist der Haltering 19 außerdem durch ein Befestigungselement 22, insbesondere durch eine in Fig. 4 und 5 dargestellte Madenschraube, welche mit ihrer Spitze in eine Außennut 23 des Halterings 19 eingreift, im Gehäuseteil 20b längsverschieblich gehalten. Die axiale Länge der Außennut 23 ist dabei derart bemessen, dass der Haltering 19 die zum Spannen bzw. Entspannen notwendige axiale Bewegung ausführen kann, wobei das Befestigungselement 22 anschlagsbegrenzt in der Außennut 23 geführt wird. Auf diese Weise ist einerseits der konstruktive Zusammenhalt des Umformwerkzeugs 3 gegeben, andererseits aber auch seine sichere Funktionserfüllung gewährleistet.
Schließlich weist das Gehäuse 20 in der ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein drittes Gehäuseteil 20c auf, das dazu dient, die Werkzeugeinheit 3 und die Zylindereinheit 4 miteinander zu verbinden. Das Gehäuseteil 20c ist nach der Art einer Überwurfmutter ausgebildet, wobei es ein Innengewinde 24 aufweist, durch welches mit einem umfangsgemäßen Außengewinde 25 der Zylindereinheit 4 eine Schraubverbindung 24, 25 hergestellt werden kann, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Durch korrespondierende, bei der Montage aneinander zur Anlage kommende Bünde 26, 27 werden dabei die Werkzeugeinheit 3 und die Zylindereinheit 4 axial aneinander gedrückt und sind so miteinander verbunden.
Ein Werkzeugwechsel gestaltet sich somit denkbar einfach, indem dazu nur die eine Werkzeugeinheit 3 von der Zylindereinheit 4 abgeschraubt und der T-Nut 13 entnommen wird. Eine andere Werkzeugeinheit 3 kann danach im nächsten Schritt wieder in die T-Nut 13 eingelegt und an die Zylindereinheit 4 angeschraubt werden. Wie Fig. 2 und 3 zeigen, können hierfür am dritten Gehäuseteil 20c spezielle Angriffstellen 28 für ein Schraubwerkzeug vorgesehen sein.
Auch bei der in Fig. 6 bis 10 dargestellten zweiten Ausführung der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Verformen eines Werkstücks 2 eine durch den Druck eines Fluids F betätigte Umformbaugruppe und eine auf einer gemeinsamen Längsachse X-X angeordnete, durch den Druck des Fluids F betätigte Spannbaugruppe, wie dies vorstehend für die erste Ausführung beschrieben wurde.
Auch bei der zweiten Ausführung der Erfindung weist dabei das erfindungsmäße Umformwerkzeug 3 eine Spanneinrichtung 17 für das Werkstück 2 mit mehreren Spannsegmenten 18 sowie einen Stauchkopf 9 auf, welcher zur Ausbildung der zu formenden Kontur des Werkstücks 2 dient. Der Stauchkopf 9 und die Spanneinrichtung 17 sind in einer einzigen Werkzeugeinheit 3 relativ zueinander axial beweglich umfangsgemäß konstruktiv miteinander verbunden.
Ein Unterschied besteht dabei zunächst in der Gestaltung des Gehäuses 20, das in der zweiten Ausführung zunächst - wie die einheitliche Schnittschraffur anzeigt - vereinfacht einteilig dargestellt ist. Konkret muss dieses Gehäuse 20 jedoch aus mindestens zwei Bauteilen bestehen (in Fig. 5 sind zwei Trennstellen T1, T2 im Gehäuse 20, also drei Gehäuseteile vorgesehen), wobei diese Teile des Gehäuses 20 fest miteinander verschraubt sind (strichpunktierte achsparallele Linien in Fig. 5) und bei einem Werkzeugwechsel nicht voneinander gelöst werden. Es besteht also nicht - wie bei der ersten Ausführung - aus miteinander verbindbaren, und zum Werkzeugwechsel voneinander lösbaren Teilen 20a, 20b, 20c, von denen eines der Werkzeugeinheit 3 und ein anderes der Zylindereinheit 4 zugeordnet ist. Stattdessen weist das Gehäuse 20, das hier vollständig der Zylindereinheit 4 zugeordnet werden kann, mindestens ein Fenster 30 auf, das es gestattet, bei einem Werkzeugwechsel die eine Werkzeugeinheit 3 aus der Zylindereinheit 4 herauszunehmen und die andere wieder einzulegen. Wie besonders aus Fig. 7 sehr anschaulich zu entnehmen ist, sind im dargestellten Fall zwei einander diametral gegenüberliegende Fenster 30 vorgesehen. Jedes Fenster 30 ist dabei durch eine Aussparung im Mantel des hohlzylindrischen Gehäuses 20 gebildet. Der Werkzeugwechsel kann somit vorteilhafterweise ohne die Notwendigkeit des Einsatzes zusätzlicher Werkzeuge realisiert werden.
Da bei der zweiten Ausführung die Werkzeugeinheit 3 des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs 3 nicht mittels eines Gehäuseteils 20b - insbesondere nicht die Baueinheit aus Stauchkopf 9 und Haltering 19 mit den in das Gehäuseteil 20b lose eingelegten Segmenten 18 der Spanneinrichtung 17 - zusammengehalten wird, ist stattdessen eine Verbindung zwischen dem Haltering 19 und den Segmenten 18 vorgesehen, wie sie insbesondere als kraft- und formschlüssige Verbindung aus Fig. 8 bis 10 deutlich wird. Der Haltering 19 weist dazu im Bereich seines dem Stauchkopf 9 abgewandten axialen Endes eine innere Umfangsnut 19b auf, in der jeweils die Segmente 18 mit einem komplementären Flanschansatz 18d formschlüssig gehalten sind. Durch die zwischen den Segmenten 18 angeordneten, nicht dargestellten Druckfedern werden die Segmente 18 dabei zentrifugal in die Umfangsnut 19b gedrückt. Zum Einsetzen bzw. Herausnehmen der Spanneinrichtung 17 können die Segmente 18 gegen die Federkraft radial nach innen gedrückt werden, so dass sich der Außendurchmesser der Spanneinrichtung 17 verringert und diese in den Haltering 19b eingesetzt bzw. aus diesem herausgenommen werden kann. Dies ist jedoch nur erforderlich bei der Herstellung der vormontierten Umform-Werkzeugeinheit 3 oder im Falle eines Verschleißes der Segmente 18 nach langer Benutzungsdauer, nicht bei einem Werkzeugwechsel in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Verformen. Diese Verbindung ist dabei konstruktiv einfacher ausgeführt als der Zusammenhalt durch das Gehäuseteil 20b in der ersten Ausführung, bei der eine zusätzliche Verschraubung mit der Madenschraube vorgesehen ist. Stauchkopf 9 und Haltering 19 sind dabei genauso miteinander verbunden wie in der ersten Ausführung.
Durch die Möglichkeit des Einlegens der Werkzeugeinheit 3 in die Zylindereinheit 4 ist der Werkzeugwechsel bei der zweiten Ausführung einfacher als bei der ersten Ausführung. Da der konische, bei der Verspannung des Werkstücks 2 mitwirkende Spitzenabschnitt des Gehäuses 20 aber nicht von dem Fenster 30 erfasst werden soll, sondern das Fenster 30 in axialer Richtung erst unmittelbar hinter dem konischen Abschnitt beginnt, resultiert daraus eine etwas größere axiale Baulänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in ihrer zweiten Ausführung. Nach dem Einlegen der Werkzeugeinheit 3 in die Zylindereinheit 4 (Fig. 8, 9) wird durch ein axiales Verfahren des Umformzylinders 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zuerst in eine Position gebracht, in der die Schrägflächen 18b, 21 der Spannsegmente 18 und des Gehäuses 20 aneinander anliegen. Danach wird das Werkstück 2 eingelegt und durch ein axiales Verfahren des Spannzylinders 15 vorgespannt, wobei sich die Segmente 18 radial nach innen bewegen und das Werkstück festhalten. Dieser Zustand ist in Fig. 10 dargestellt. Erst dann kann der eigentliche Umformvorgang des Werkstücks 2 beginnen, der - da er die Hauptfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 darstellt - vorstehend vor dem Spannvorgang beschrieben wurde.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern der Fachmann kann diese bedarfsweise durch weitere zweckmäßige technische Maßnahmen abwandeln und/oder ergänzen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So muss der Stauchkopf 9 nicht zwingend auf seiner einer Stirnseite eine Vertiefung 10 zur Ausbildung einer zu formenden Kontur des Werkstücks 2 aufweisen. Es kann dort auch eine andere Kontur vorliegen. Wenn aber eine Vertiefung 10 vorliegt, so kann zum Beispiel - wie aus Fig. 4 und 5 sowie 8 bis 10 hervorgeht - vorgesehen sein, dass die Bodenfläche 10a der Vertiefung 10 konusförmig ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhafterweise bei der Einspannung und Umformung des Werkstücks 2 eine automatische Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser und Rohrwandstärken erreicht. Hierzu kann auch ein speziell auf die Rohrgeometrie abgestimmter Spitzenwinkel µ vorgesehen sein.

Bezugszeichen

1: Umformvorrichtung
2: Werkstück
3: Umformwerkzeug (Werkzeugeinheit)
4: Zylindereinheit
5: Umformkolben von 4, in 6
6: Umformkolbenraum von 4, mit 5
6a: erste Fluideintrittsstelle in 6
6b: zweite Fluideintrittsstelle in 6
7: Werkzeugaufnahme von 4
7a: radialer Überstand von 7 gegenüber 5
8: Befestigungsmittel für 7 an 5 (Zylinderkopfschraube)
9: Stauchkopf von 4
9a: umlaufender Randsteg von 9
9b: Ringfläche von 9 um 10
10: Vertiefung in 9 für 2
10a: Bodenfläche von 10
11: Befestigungsmittel für 9 an 7
12: Umfangsnut von 10
13: T-Nut von 7
13a: Steg neben 13
15: Spannkolben von 4, in 16
15a: Stufe an 15
16: Spannkolbenraum von 4, mit 15
16a: Fluideintritt in 16
17: Spanneinrichtung für 2
18: Segment von 17 (Spannbacke)
18a: Bodenfläche von 18
18b: Konusfläche von 18 zur Anlage an 21
18c: Innenseite von 18
18d: Flanschansatz an 18 in 19b (zweite Ausführung
19: Haltering für 9 (und 17, zweite Ausführung)
19a: innerer Randsteg von 19
19b: innere Umfangsnut in 19 für 18d (zweite Ausführung)
20: Gehäuse
20a: erstes Gehäuseteil von 20 für 4 mit 6a, 6b, 16a (erste Ausführung)
20b: zweites Gehäuseteil von 20 für 3 (erste Ausführung)
20c: drittes Gehäuseteil von 20 zur Verbindung von 3 und 4 (erste Ausführung)
21: konische Innenfläche von 20 zur Anlage an 18b
22: Befestigungselement zur Verbindung von 20b und 19
23: Außennut in 19 zum Eingriff von 22
24: Innengewinde von 20c zur Verschraubung mit 25
25: Außengewinde von 4 zur Verschraubung mit 24
26: Bund von 20b zur Anlage an 27
27: Bund von 20c zur Anlage an 26
28: Werkzeugangriffsstelle von 20c
30: Fenster in 20 (zweite Ausführung)

F: Fluid
T1, T2: Trennstellen von 20 (Fig. 5)
X-X: Längsachse von 1, 3, 4

µ: Spitzenwinkel von 10a

Claims

Vorrichtung (1) zum Verformen eines Werkstücks (2) mit einer durch den Druck eines Fluids (F) betätigbaren Umformbaugruppe (5, 6, 7, 8, 9) und mit einer auf einer gemeinsamen Längsachse (X-X) angeordneten, durch den Druck des Fluids (F) betätigbaren Spannbaugruppe (15, 16, 17, 19),
gekennzeichnet durch eine auswechselbare Werkzeugeinheit (3) und durch eine Zylindereinheit (4), die als eine von der auswechselbaren Werkzeugeinheit (3) separat handhabbare vormontierte Einheit (4) ausgebildet ist, wobei die auswechselbare Werkzeugeinheit (3) ein Umformwerkzeug (3) für das Werkstück (2) ist, das auf der gemeinsamen Längsachse (X-X) der Umformbaugruppe (5, 6, 7, 8, 9) und der Spannbaugruppe (15, 16, 17, 19) angeordnet ist und eine Spanneinrichtung (17) mit mehreren Spannsegmenten (18) für das Werkstück (2) und einen Stauchkopf (9) umfasst, welcher auf einer Seite eine Vertiefung (10) zur Ausbildung einer zu formenden Kontur des Werkstücks (2) und auf der gegenüberliegenden Seite ein Befestigungsmittel (11) zum Anschluss an einen Umformkolben (5) der Umformbaugruppe (5, 6, 7, 8, 9) aufweist, wobei der Stauchkopf (9) und die Spanneinrichtung (17) in dem die Werkzeugeinheit (3) bildenden Umformwerkzeug (3) relativ zueinander axial beweglich umfangsgemäß konstruktiv miteinander verbunden sind und wobei die Zylindereinheit (4) mit einem Gehäuse (20) oder zumindest mit einem Gehäuseteil (20a) ausgebildet ist und den Umformkolben (5) umfasst, der in einem Kolbenraum axial beweglich geführt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchkopf (9) beidseitig anschlagsbegrenzt axialbeweglich in einem Haltering (19) befestigt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsbegrenzung des Stauchkopfes (9) für seine axiale Bewegung im Haltering (19) auf der einen Seite des Stauchkopfs (9) einerseits durch einen radial innen liegenden umlaufenden Randsteg (19a) des Halteringes (19) und andererseits durch einen komplementären, außen liegenden umlaufenden Randsteg (9a) des Stauchkopfs (9) und auf der anderen Seite des Stauchkopfs (9) einerseits durch eine Bodenfläche (18a) der Spannsegmente (18) und andererseits durch eine Ringfläche (9b) des Stauchkopfs (9), die eine Vertiefung (10) zur Ausbildung der Werkstückkontur umgibt, gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugeinheit (3) neben dem Stauchkopf (9) und der Spanneinrichtung (17) mindestens ein Gehäuseteil (20b) umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der im Haltering (19) befestigte Stauchkopf (9) zusammen mit der Spanneinrichtung (17) in das Gehäuseteil (20b) eingelegt ist und dass der Haltering (19) axialbeweglich in dem Gehäuseteil (20b) befestigt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (19) mittels eines Befestigungselements (22), insbesondere mittels einer Madenschraube, welche mit ihrer Spitze in eine Außennut (23) des Halterings (19) eingreift, in dem Gehäuseteil (20b) axial längsverschieblich gehalten ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Haltering (19) neben dem Stauchkopf (9) auch die Spanneinrichtung (17) befestigt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (19) im Bereich seines dem Stauchkopf (9) abgewandten axialen Endes eine innere Umfangsnut (19b) aufweist, in der jeweils die Spannsegmente (18) der Spanneinrichtung (17) mit einem zu der Umfangsnut (19b) komplementären Flanschansatz (18d) in axialer Richtung formschlüssig fixiert, jedoch radialbeweglich gehalten sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenfläche (10a) der Vertiefung (10) des Stauchkopfs (9) konusförmig ausgebildet ist
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (11) durch eine - im Längsschnitt gesehen - T-förmige Kontur des Stauchkopfes (9) im Bereich seiner Stirnfläche zum Eingriff in eine formangepasste - T-Nut (13) einer am Umformkolben (5) befindlichen Werkzeugaufnahme (7) gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindereinheit (4) zur Verbindung mit der Werkzeugeinheit (3) eine/die Werkzeugaufnahme (7) aufweist, welche - insbesondere über eine Schraube (8) - mit einem/dem Umformkolben (5) der Umformbaugruppe (5, 6, 7, 8, 9) verbunden ist, und dass die Werkzeugeinheit (3) auf einer der Zylindereinheit (4) zugewandten Stirnseite - insbesondere an ihrem Stauchkopf (9) - ein/das Befestigungsmittel (11) zum Anschluss an die Werkzeugaufnahme (7) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugeinheit (3) für eine Montage oder zum Auswechseln an der Zylindereinheit (4) mit der Zylindereinheit (4), insbesondere mittels eines/des Gehäuseteils (20c), verschraubbar bzw. von der Zylindereinheit (4) abschraubbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) in der Zylindereinheit (4) ein/das erste(s) Gehäuseteil (20a) und in der Werkzeugeinheit (3) ein/das zweite(s) Gehäuseteil (20b) und ein/das dritte(s) Gehäuseteil (20c) umfasst, die lösbar miteinander verbindbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugeinheit (3) für eine Montage oder zum Auswechseln an der Zylindereinheit (4) durch ein Fenster (30) in einem Gehäuse (20) für die Umformbaugruppe (5, 6, 7, 8, 9) und die Spannbaugruppe (15, 16, 17, 19) in die Zylindereinheit (4) einlegbar bzw. aus dieser herausnehmbar ist.