EP3498394A1 - Vorrichtung und verfahren zur randaufdickung eines werkstückes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur randaufdickung eines werkstückes Download PDF

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EP3498394A1
EP3498394A1 EP18000961.5A EP18000961A EP3498394A1 EP 3498394 A1 EP3498394 A1 EP 3498394A1 EP 18000961 A EP18000961 A EP 18000961A EP 3498394 A1 EP3498394 A1 EP 3498394A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
chambering
tool
axis
rotation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18000961.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Lukas Sieczkarek
Sebastian Wernicke
Soeren Gies
A. Erman Tekkaya
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.)
Technische Universitaet Dortmund
Original Assignee
Technische Universitaet Dortmund
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 Technische Universitaet Dortmund filed Critical Technische Universitaet Dortmund
Publication of EP3498394A1 publication Critical patent/EP3498394A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K21/00—Making hollow articles not covered by a single preceding sub-group
    • B21K21/12—Shaping end portions of hollow articles
    • 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
    • B21D19/00—Flanging or other edge treatment, e.g. of tubes
    • B21D19/02—Flanging or other edge treatment, e.g. of tubes by continuously-acting tools moving along the edge
    • B21D19/04—Flanging or other edge treatment, e.g. of tubes by continuously-acting tools moving along the edge shaped as rollers
    • B21D19/046—Flanging or other edge treatment, e.g. of tubes by continuously-acting tools moving along the edge shaped as rollers for flanging edges of tubular products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/26—Making other particular articles wheels or the like
    • B21D53/28—Making other particular articles wheels or the like gear wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls

Definitions

  • the invention relates to a device for edge thickening of a workpiece with a tubular end portion at at least one of its axially opposite ends.
  • the invention also relates to a method for edge thickening of a workpiece having a tubular end portion at at least one of its axially opposite ends.
  • a workpiece of the aforementioned kind may e.g. be a tube, which is thus tubular at both axially opposite ends.
  • a workpiece with a tubular end at only one of its two axial ends can be designed basically arbitrary at the other end.
  • This other end may be closed, for example, by a floor whose plane is oriented perpendicular to the axial extent.
  • Such a workpiece can thus be referred to as cup-shaped or cup-shaped.
  • a workpiece according to the invention may e.g. be any sheet metal component that has at least one end-side tubular portion.
  • a workpiece to be reshaped is rotationally symmetrical about its longitudinal extension direction.
  • a targeted thickening of the wall thickness of a workpiece e.g. Sheet metal workpiece
  • a desired geometry e.g. a gearing
  • This type of processing reduces the material efficiency due to the chip waste. Furthermore, in the cutting area of the fiber flow of the material is interrupted, which can lead to a reduction in the stability or the load transfer capacity, especially in such a toothing produced.
  • a device having a workpiece holder rotatable about a rotation axis, in particular having a directly self-driven workpiece holder on which a workpiece is fastened and with which the workpiece is rotatable about the axis of rotation, and which is an internal chambering tool which can be arranged radially inwardly of the tubular end portion of the workpiece or is arranged in operation, in particular with which a material flow is radially inwardly delimitable, and which has an outer chambering tool, which are arranged radially outwardly of the tubular end portion of the workpiece can be arranged or in operation, in particular with the material flow can be limited radially outward, and further comprises at least one movable, preferably axially movable parallel to the axis of rotation forming tool which is connected to the end face of the tubular end portion of the W.
  • erk Shareees adjustable in particular in the axial direction can be adjusted and with the on the face, in particular in the axial direction, a forming force is exercised, wherein at least one of the two Kamm réellestechnikmaschinee has contacted by the forming area, with which the radial material flow of the workpiece is limited or limited in operation and by the forming tool in the direction of the axis of rotation against an acting Force is displaceable.
  • the object is achieved by a method in which a workpiece having a tubular end portion is secured to a workpiece holder, e.g. is attached to a workpiece holder at at least one of its axially opposite ends and is rotated together with the workpiece holder about an axis of rotation, wherein radially inside the tubular end portion an inner chambering tool is arranged, with which a material flow is bounded radially inward and radially outward the workpiece is an outer chambering tool is arranged, with a material flow is bounded radially outward, wherein at least one of the Kamm réellestechnikmaschinemaschinee, at least before the start of a processing with a radial gap to the workpiece is arranged, in which during the processing of a radial material flow is generated , characterized in that a forming tool, in particular axially parallel to the axis of rotation, employed on the end face of the tubular end portion of the workpiece and the forming tool on the end face
  • the essential idea of the invention is based on the fact that a gap region exists between the outer wall surface of the workpiece and the inner wall surface of the outer chambering tool and / or between the inner wall surface of the workpiece and the outer wall surface of the inner chambering tool in the radial direction, ie perpendicular to the axis of rotation, at least initially before the beginning of the deforming machining into which can be displaced by the force applied by the forming force material of the workpiece, whereby the wall thickness of the workpiece is thickened. It can vary depending on Lüs of the gap, the material to be displaced radially outward and / or radially inward. Within the radial gap region also an axial displacement of material is possible.
  • the respective radial displacement is limited by the fact that the material comes into contact with the wall surface of the chambering tool in the radial direction so that it can not be displaced further in the radial direction.
  • the aforesaid gap may be e.g. be adjusted so that the distance between the facing wall surfaces of inner and outer chambering tool is greater than the wall thickness of the workpiece to be machined.
  • the thickening takes place only in one of the two radial directions or on both sides.
  • the invention may provide a set of a plurality of inner and / or outer chambering tools that can be selectively operated on the apparatus to process different workpiece diameters by thickening or to realize different thicknesses or different types of contouring.
  • the invention can provide for the surfaces of the forming tool, which lie opposite one another radially, and those of the chambering tool, which initially contacts the workpiece without a gap, to contact one another.
  • the forming tool can then be guided with radial contact to the gapless arranged Kamm réelleswerkmaschine in the axial direction along this, wherein the arranged with gap distance to the workpiece Kamm réellestechnikmaschinezeug is axially displaced by the forming tool against said force.
  • the displaced Kamm réellestechnikmaschinezeug remains in axial contact with the forming tool and the unshielded chambering tool in radial contact with the forming tool.
  • both chambering tools are arranged displaceably in the axial direction on the device, the forming tool can cover and contact axial end faces of both chambering tools and accordingly displace both chambering tools simultaneously in the axial direction, when the deforming force is exerted on the workpiece, material is radially displaced and in this case the forming tool moved axially.
  • the workpiece remains chambered on both sides and the radial flow of material is limited.
  • the outer chambering tool may, in an advantageous embodiment, e.g. be formed as a ring member which surrounds the workpiece holder and axially displaceably mounted on this, in particular is fixed.
  • the outer chambering tool may e.g. be formed in several parts, e.g. in the axial direction. That portion of the outer chambering tool which limits the radial flow of material during the forming may be e.g. be made of a different material, as remaining areas of the chambering tool. For example, For example, this area may have a higher hardness or less adhesion to material than the remaining areas.
  • the outer chambering tool has an end region delimiting the flow of material, which protrudes in the axial direction over a mounting region, in particular a mounting surface on which the workpiece can be fastened.
  • the projection may have a height that is at least as great as the axial length of the workpiece to be mounted on the mounting area. This ensures that the outer chambering tool can be pushed back by the forming tool in the axial direction against the force acting until the axial end face of the chambering tool and the workpiece lie in one plane and the forming begins.
  • the invention can provide that the end region of the outer chambering tool which delimits the material flow has a radially inner toothing.
  • the chambering tool In addition to the pure Materialflußbegrenzung causes the chambering tool then also that the thickened edge of the workpiece takes the negative of the gearing form. It can be created so directly Vernierungsein rempligonne simultaneously to the thickening.
  • the inner chambering tool can preferably form a fastening means with which the workpiece can be fastened to the tool holder.
  • Such attachment may e.g. done by positive engagement and / or adhesion and / or frictional engagement.
  • a rotationally secure attachment between a cup-shaped workpiece and the workpiece holder can be supplemented by e.g. be effected by a positive connection between the bottom of the workpiece and the workpiece holder, e.g. in that the bottom has an n-cornered recess, which is attached to an n-sided projection on the workpiece holder.
  • the inner chambering tool can be provided to secure the positive connection.
  • the inner chambering tool can be acted upon with a fastening force in the axial direction to the workpiece holder, e.g. by screwing with this in the axial direction.
  • a fastening force in the axial direction e.g. by screwing with this in the axial direction.
  • the inner chambering tool can be acted upon with a fastening force in the axial direction to the workpiece holder, e.g. by screwing with this in the axial direction.
  • a fastening force in the axial direction e.g. by screwing with this in the axial direction.
  • the workpiece holder e.g. by screwing with this in the axial direction.
  • An inner chambering tool can in the simplest case correspond to a cylindrical body having a central bore for a screw, wherein the outer cylindrical surface forms the area that limits the radial flow of material.
  • the invention may also provide that the workpiece holder has an expandable ring in the radial direction, which surrounds the axis of rotation and on the outside of a tubular portion of a workpiece, in particular a pipe can be plugged. It can be provided here that the ring in the axial direction by the inner chambering tool can be acted upon with a force, in particular to secure the workpiece by radial clamping on the workpiece holder.
  • the inner chambering tool may have an external toothing at least at its end portion radially bounding the material flow, with the same advantages and effects as described with respect to the outer chambering tool.
  • the inner chambering tool can be formed in two or more parts, with a remote in the axial direction of the workpiece holder part against a workpiece holder near part against a force is axially displaceable.
  • the remote part is displaceably mounted on a mandrel fastened to the proximal part against the force of a spring arranged around the mandrel.
  • the proximal part can form a fastening means with which the workpiece can be fastened to the tool holder, in particular by positive locking and / or frictionally locking and / or frictional engagement.
  • the invention may provide that at least the portion of the inner and / or outer chambering tool bounding the radial material flow is rotationally symmetric about the axis of rotation or is n-fold rotationally symmetric, e.g. in gear teeth, in particular where n can correspond to the number of teeth.
  • annular axis surrounding the axis of rotation has, which is open to the outer chambering tool and in which a ring is inserted, in particular optionally different rings can be inserted, with the rings optionally different axial Materialflußbegrenzonne are adjustable.
  • a respective ring may have an annular, in particular radially outer recess / recess which is open radially in the direction of the outer chambering tool.
  • a recess in material of the workpiece can be displaced axially. It can be made as an axially optional different material displacement up into a region which lies in the axial direction of the forming force behind the mounting surface and in the axial width is limited by the axial depth of the recess or the ring inserted therein.
  • Such an insertable ring may also have radially outside a toothing, in which a radially inner toothing of the outer KammanssIESs rests, in particular gapless or gapless except for a technically necessary zero gap. This ensures that a toothing of the outer Kamm réellesijns in the axial direction can be pushed through the thereto nagative toothing of the inserted ring without material of the workpiece can penetrate into a gap between the teeth.
  • a forming tool can e.g. have a pressure surface which is stationary relative to the rotating workpiece. Such a pressure surface can lead to heating due to the friction between this surface and the moving axial end face of the workpiece.
  • the at least one forming tool comprises a pressure roller rotatable about an axis, whose axis is oriented perpendicular to the axis of rotation of the workpiece holder. This allows the outer circumferential surface of the pressure roller to roll on the axial end face of the workpiece, whereby friction is reduced. In particular, such a work hardening of the material in the thickened area can be produced.
  • the invention can also provide that the pressure roller of the at least one forming tool is actively driven.
  • the workpiece in the workpiece holder can be set in rotation by the drive of the pressure roller.
  • the invention may preferably also provide that a pressure roller of a forming tool is passively rotatable without its own drive, in particular is freely rotatable in both possible directions of rotation.
  • the invention can provide more than one forming tool, preferably wherein the then at least two forming tools in a uniform angular pitch contact the axial end face of the workpiece.
  • the acting forming forces are balanced.
  • the processing time can be shortened.
  • the invention provides to rotate the workpiece by a drive which sets the tool holder directly in rotation.
  • a pressure roller of a forming tool will passively roll on the axial end face of the workpiece in this embodiment.
  • FIGS. 1 show the outer edge thickening on a cup-shaped workpiece by means of a device according to the invention while carrying out the method according to the invention.
  • the elements of the invention described below are in all Figures 1A to 1E the same, unless it is expressly pointed to deviations.
  • the elements are in the FIGS. 1 shown only in different views and different stages of the process.
  • FIGS. 1A and 1B Visualize in different views at the beginning of the process, the device with a workpiece holder 1, which can be rotated about the axis of rotation 2 by means of a drive, not shown here.
  • This workpiece holder has a mounting surface 1a, on which a workpiece 3 to be machined is mounted.
  • the workpiece 3 is here cup-shaped, ie it has an upper tubular region at one end with an axial end face 3a and a bottom 3b at the lower other end.
  • the workpiece 3 is clamped at its bottom between the inner chambering tool 4 and the mounting surface 1a.
  • the clamping can be done purely by force and / or friction.
  • a screw 5 can penetrate the inner chambering tool and apply said force F1.
  • the inner chambering tool rests against the inner wall of the workpiece 4 without a gap, so that a material displacement in the radial direction inwards is not possible.
  • the inner chambering tool can be a circular disc in the simplest embodiment.
  • an outer chambering tool 6 is arranged, for example, which may be formed substantially hollow cylindrical.
  • the outer chambering tool 6 is in the axial direction of the axis of rotation. 2 arranged displaceably on the workpiece holder 1. Furthermore, the outer chambering tool with a force F2 in the axial direction is applied upward against which it can be moved down.
  • An upper region of the outer chambering tool 6 protrudes upward beyond the mounting surface 1a in the axial direction and surrounds the workpiece 4 to be formed with this region to form a radial gap 7.
  • This protruding region limits in the radial direction the possibility of displacing material of the workpiece 4 ie in the radial direction can be filled by a material displacement only the gap shown here.
  • a forming tool is designed here as a pressure roller 8, which is rotatable about a shaft 9, or its axis of rotation.
  • the pressure roller is subjected to a deformation force F3 in the axial direction downwards and comes first with the outer chambering tool 6, or with its radial material displacement limiting area in contact.
  • the contact is between the axially opposed surfaces of pressure roller 8 and outer chambering tool 6. Furthermore, the radially opposed surfaces of pressure roller 8 and inner chambering tool 4 are in contact.
  • both the pressure roller 8 and the outer chambering tool 6 move downward in the axial direction, with the upper end face of the chambering tool 6 remaining in contact with the pressure roller and in the plane of the axial end face 3a of the workpiece 3 lies.
  • the tube wall region of the workpiece 3 is thickened to a thickness which corresponds to the radial distance between the two chambering tools 4 and 6.
  • FIGS. 1 continue to show that the mounting surface 1a has a circumferentially circumferential recess 10 which radially towards the outer Chambering tool 6 is open and in which a ring 11 is inserted here.
  • This one in the Figures 1A to 1D shown ring 11 has an axial thickness corresponding to the axial depth of the recess 10 and a radial width corresponding to the radial width of the recess 10. This means that the ring 11 completely fills the recess 10 and forms a mounting surface 1a continuous in the radial direction as far as the outer chambering element 6.
  • FIG. 1E a modified embodiment in which the inserted into the recess 10 ring 11 itself has a circumferential to the outer chambering tool 6 radially open recess 11a.
  • This recess causes the mounting surface 1a is recessed downwards in the radially outer region and thus a region is formed in the material of the workpiece 3 can be displaced axially below the mounting surface plane 1a.
  • This will be in the Figure 1E formed axially downwardly projecting collar on the workpiece 3.
  • FIGS. 2 show a modification of the embodiment according to the FIGS. 1 in which, in addition to the radially outer thickening, a toothing is pressed into the workpiece 3 during the material displacement.
  • FIGS. 2A and 2B show an initial state and the Figures 2C and 2D the final state of the formed workpiece 3.
  • the invention provides that the already described FIG. 1 described ring 11 in the Montage vomausnaturalung 10, a radially outwardly facing toothing 11a, which corresponds to the positive shape of the toothing to be produced, thus thus factually gapless (if necessary. To a technical zero gap) in the negative mold of the toothed portion 6a of the outer chambering tool 6 rests. Thereby the toothing region 6a of the chambering tool 6 is axially closed and the displaced material can not get under the mounting surface.
  • Both Figures 3 is the embodiment such that a likewise cup-shaped workpiece 3 is provided with an internal toothing in the implementation of the edge thickening.
  • two forming tools are provided here instead of a forming tool, each with a pressure roller 8 which rotates about a rotation axis 9.
  • the forming tools, or their pressure rollers 8 have an angular distance of 180 degrees.
  • the outer chambering tool 6 is externally gapless on the workpiece 3.
  • the inner chambering tool is constructed in several parts and has a pin 4a, which penetrates the bottom of the workpiece 3 and is secured in the mounting surface of the workpiece holder 1.
  • a radial material flow limiting Kamm ceremoniesstechnikmaschineteil 4c is axially displaceably mounted, here specifically mounted against the force of a pin 4a arranged on the spring 4b.
  • the radially outer circumferential surface of the inner chambering tool part 4c has a negative shape of a toothing to be produced. With the tooth tips this peripheral surface is according FIG. 3B here gapless on the workpiece inner wall, but it can also be provided an additional gap. As a result of the reshaping, an edge thickening is then created on the workpiece at least to the extent that material displaces radially into the negative toothing becomes. In the case of an existing gap, a thickening also takes place across the gap width.
  • FIGS. 4 describe a device according to the invention and a method in which instead of a cup-shaped workpiece, a total tubular workpiece 3 at one of its tubular ends, here the upper end in the wall thickness is thickened while the workpiece 3 is clamped to the other tubular end on the tool holder 1 and is rotated with this. The thickening takes place radially outward.
  • the workpiece holder 1 here has a spreading arrangement, by means of which the lower tubular end of the workpiece 3 can be clamped to the workpiece holder.
  • An upper area 1a of the tool holder which in the embodiments of FIGS. 1 to 3 serves as a mounting surface, has a rotational axis 2 concentrically surrounding annular recess in which an expansion ring 1 b rests.
  • This expansion ring is secured by the bottom surface of the recess against axial displacement.
  • the spreader ring 1 b has an upper end face, which is conical, so that an application of force to this end face leads to a vectorial force splitting with a force component which points radially outward and can thus lead to a spreading of the ring, ie an increase in diameter.
  • the spreader ring 1b abuts with its radial outer side against the inner wall surface of a tubular workpiece 3 to be clamped.
  • the workpiece 3 On the outside of the workpiece and opposite to this spreader ring 1 b, the workpiece 3 is supported on its outer wall by an annular axial projection 1 c. The workpiece 3 is thus clamped between the spreader ring 1b and the projection 1c.
  • the tool holder - as shown here - have an annular recess 1 d, in which the workpiece 3 is additionally inserted in the axial direction.
  • an inner chambering tool 4 is used, which rests here gapless on the inside wall of the workpiece 3.
  • the Inner chambering tool 4 has an axial length, so that it projects axially beyond the axial annular end face 3a of the workpiece 3 upwards.
  • a force application F1 in the axial direction downwardly presses the inner chambering tool 3 in the axial direction of the spreader ring 1b and spreads it thereby.
  • the annular surface of the inner chambering tool 4 contacting the expansion ring 1b has the same conical configuration as the axial end face of the expansion ring 1b.
  • the inner chambering tool 3 thus also acts as a fastening element for the workpiece 3.
  • Said spreading arrangement thus comprises the annular recesses 1b, 1d, the spreader ring 1b and the inner chambering tool 4.
  • an outer chambering tool 6 is arranged around the workpiece holder 1, which is movable in the axial direction of the axis of rotation 2 against an axial force F2.
  • the inner wall of the outer chambering tool 6 at a distance in the radial direction to the outer wall of the workpiece 3.
  • the Figures 5 show another embodiment in which an overall tubular workpiece 3 is provided with an internal toothing during the thickening. You like the Figures 3 Here, two forming tools are used with respective pressure rollers. 8
  • the inner wall of the outer chambering tool 6 which is axially displaceable against the force F3, without a gap on the outer wall of the workpiece, so that no material can be displaced radially outward.
  • a pin 4a on which an upper part 4c of the inner chambering tool against a force, generated here by the spring 4b, is displaceable.
  • This upper part 4c represents the part which limits the material displacement radially inward.
  • the upper part 4 c On the radial outer wall, the upper part 4 c has an external toothing as a negative mold, so that the corresponding positive mold is produced on the edge-thickened tool 3.
  • the tips of the teeth lie without a gap on the workpiece 3, but it can also be an additional gap between the tooth tips and the workpiece 3 may be present.
  • the force exerted on the pin 4a force F1 is introduced via this in the lower part 4d, and thus acts directly on the spreader ring 1d, as it to the FIGS. 4 has been described.
  • the workpiece 3 is thus clamped in the manner described.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Randaufdickung eines Werkstückes (3) mit einem rohrförmigen Endbereich an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden, umfassend einen um eine Drehachse (2) drehbaren, insbesondere angetriebenen Werkstückhalter (1), an dem ein Werkstück (3) befestigbar ist und mit dem zusammen das Werkstück (3) um die Drehachse (2) herum drehbar ist, ein inneres Kammerungswerkzeug (4), das radial innenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes (3) angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluss nach radial innen begrenzbar ist, ein äußeres Kammerungswerkzeug (6), das radial außenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes (1) angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluß nach radial außen begrenzbar ist, wenigstens ein Umformwerkzeug (8, 9), insbesondere axial parallel zur Drehachse (2) bewegbares Umformwerkzeug (8, 9), das an die Stirnfläche (3a) des rohrförmigen Endbereiches des Werkstückes (3) anstellbar ist, insbesondere in der axialen Richtung anstellbar ist und mit dem auf die Stirnfläche (3a) insbesondere in der axialen Richtung eine Umformkraft ausübbar ist, wobei zumindest eines der beiden Kammerungswerkzeuge (4, 6) einen vom Umformwerkzeug (8, 9) kontaktierbaren Bereich aufweist, mit dem der radiale Materialfluß des Werkstückes (3) begrenzbar ist und der durch das Umformwerkzeug (8, 9) in Richtung der Drehachse (2) entgegen einer wirkenden Kraft (F2) verschieblich ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Randaufdickung eines Werkstückes (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Randaufdickung eines Werkstückes mit einem rohrförmigen Endbereich an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Randaufdickung eines Werkstückes mit einem rohrförmigen Endbereich an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden.
  • Ein Werkstück der vorgenannten Art kann z.B. ein Rohr sein, welches somit an beiden sich axial gegenüberliegenden Enden rohrförmig ausgebildet ist.
  • Ein Werkstück mit einem rohrförmigen Ende an nur einem seiner beiden axialen Enden kann an dem anderen Ende grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. Z.B. kann dieses andere Ende geschlossen sein, beispielsweise durch einen Boden, dessen Ebene senkrecht zur axialen Erstreckung orientiert ist. Ein solches Werkstück kann somit als topfförmig oder auch napfförmig bezeichnet werden. So kann ein Werkstück im Sinne der Erfindung z.B. jegliches Blechbauteil sein, dass zumindest einen endseitigen rohrförmigen abschnitt aufweist.
  • Insbesondere ist es bei allen Ausführungen vorgesehen eine Randaufdickung an einem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes vorzunehmen. Bevorzugt ist ein umzuformendes Werkstück rotationssymmetrisch um dessen Längserstreckungsrichtung.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, aus Werkstücken, z.B. solchen der vorgenannten Art Formelemente herzustellen, mit denen Drehmomente übertragen oder andere Elemente positioniert werden können. Hierfür müssen die Formelemente im kraftübertragenden Bereich genügend stabil ausgeführt sein, was bei Werkstücken mit rohrförmigen Endbereichen vor einer Bearbeitung ggfs. nicht gegeben ist, z.B. aufgrund zu geringer Wandstärken. Auch sind sehr dünnwandige Elemente häufig nicht oder nur schwer schweißbar.
  • Zur Erhöhung der Stabilität und/oder Erzielung einer besseren Schweißbarkeit ist es weiterhin bekannt, eine gezielte Verdickung der Wandstärke eines Werkstückes, z.B. Blechwerkstückes, insbesondere an dessen rohrförmigen Ende vorzunehmen und den verdickten Rand spanend zu bearbeiten für die Erzielung einer gewünschten Geometrie, z.B. einer Verzahnung.
  • Durch diese Art der Bearbeitung wird aufgrund des Spanabfalls die Materialeffizienz verringert. Weiterhin wird im Zerspanungsbereich der Faserverlauf des Materials unterbrochen, was zu einer Verringerung der Stabilität bzw. der Lastabtragungsfähigkeit führen kann, insbesondere bei derart hergestellten Verzahnungen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Randaufdickung bereitzustellen, mit dem mit einer erhöhten Materialeffizienz und bevorzugt unter Entfall späterer spanender Verarbeitungsschritte aus einem Werkstück ein Formelement hergestellt werden kann, insbesondere das nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt seinem Einsatzzweck zugeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die einen um eine Drehachse drehbaren Werkstückhalter aufweist, insbesondere einen direkt selbst angetriebenen Werkstückhalter aufweist, an dem ein Werkstück befestigbar ist und mit dem zusammen das Werkstück um die Drehachse herum drehbar ist, und die ein inneres Kammerungswerkzeug aufweist, das radial innenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes angeordnet werden kann bzw. im Betrieb angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluss nach radial innen begrenzbar ist, und die ein äußeres Kammerungswerkzeug aufweist, das radial außenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes angeordnet werden kann bzw. im Betrieb angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluss nach radial außen begrenzbar ist, und die weiterhin wenigstens ein bewegbares, bevorzugt axial parallel zur Drehachse bewegbares Umformwerkzeug aufweist, das an die Stirnfläche des rohrförmigen Endbereiches des Werkstückes anstellbar, insbesondere in der axialen Richtung anstellbar ist und mit dem auf die Stirnfläche, insbesondere in der axialen Richtung, eine Umformkraft ausübbar ist, wobei zumindest eines der beiden Kammerungswerkzeuge einen vom Umformwerkzeug kontaktierten Bereich aufweist, mit dem der radiale Materialfluß des Werkstückes begrenzbar bzw. im Betrieb begrenzt ist und der durch das Umformwerkzeug in Richtung der Drehachse entgegen einer wirkenden Kraft verschieblich ist.
  • Weiterhin wird erfindungsgemäß die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Werkstück mit einem rohrförmigen Endbereich an einem Werkstückhalter befestigt wird, z.B. an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden an einem Werkstückhalter befestigt und zusammen mit dem Werkstückhalter um eine Drehachse herum gedreht wird, wobei radial im Inneren des rohrförmigen Endbereiches ein inneres Kammerungswerkzeug angeordnet wird, mit dem ein Materialfluss nach radial innen begrenzt wird und radial außen um das Werkstück ein äußeres Kammerungswerkzeug angeordnet wird, mit dem ein Materialfluß nach radial außen begrenzt wird, wobei wenigstens eines der Kammerungswerkzeuge, zumindest vor dem Beginn einer Bearbeitung mit einem radialen Spalt zum Werkstück angeordnet ist, in den hinein bei der Bearbeitung ein radialer Materialfluß erzeugt wird, dadurch, dass ein Umformwerkzeug, insbesondere axial parallel zur Drehachse, an die Stirnfläche des rohrförmigen Endbereiches des Werkstückes angestellt und mit dem Umformwerkzeug auf die Stirnfläche, insbesondere in der axialen Richtung, eine Umformkraft ausgeübt wird, wobei der den radialen Materialfluß begrenzende Bereich von zumindest einem der beiden Kammerungswerkzeuge, welcher vom Umformwerkzeug kontaktiert wird, durch das Umformwerkzeug bei der Umformung des Werkstückes in Richtung der Drehachse entgegen einer wirkenden Kraft verschoben wird. Eine solche wirkende Kraft kann z.B. durch eine Federkraftbeaufschlagung erzeugt werden.
  • Der wesentliche Erfindungsgedanke beruht darauf, dass zwischen der Außenwandfläche des Werkstückes und der Innenwandfläche des äußeren Kammerungswerkzeuges und/oder zwischen der Innenwandfläche des Werkstückes und der Außenwandfläche des inneren Kammerungswerkzeuges in radialer Richtung, also senkrecht zur Drehachse zumindest anfänglich vor Beginn der verformenden Bearbeitung ein Spaltbereich existiert in den hinein durch die vom Umformwerkzeug aufgebrachte Kraft Material des Werkstückes verdrängt werden kann, wodurch die Wandstärke des Werkstückes aufgedickt wird. Dabei kann je nach Lages des Spaltes das Material nach radial außen und/oder nach radial innen verdrängt werden. Innerhalb des radialen Spaltbereiches ist auch eine axiale Verlagerung von Material möglich.
  • Die jeweilige radiale Verdrängung ist durch dadurch begrenzt, dass das Material in der radialen Richtung an die Wandfläche des Kammerungswerkzeuges kontaktierend zur Anlage kommt und hiernach in der radialen Richtung nicht weiter verdrängt werden kann.
  • Es wird demnach das bearbeitete Werkstück eine Außenkontur annehmen, welche dem Negativ der Innenkontur des äußeren Kammerungswerkzeuges entspricht und/oder eine Innenkontur annehmen, die dem Negativ der Außenkontur des inneren Kammerungswerkzeuges entspricht.
  • Der vorgenannte Spalt kann z.B. dadurch eingestellt werden, dass der Abstand zwischen den aufeinander zuweisenden Wandflächen von innerem und äußerem Kammerungswerkzeug größer ist als die Wanddicke des zu bearbeitenden Werkstückes. Je nachdem, ob der Spalt nur radial außen oder nur radial innen oder radial beidseitig zum Werkstück vorhanden ist erfolgt die Aufdickung nur in einer der beiden radialen Richtungen oder beidseits.
  • Die Erfindung kann vorsehen ein Set von mehreren inneren und/oder äußeren Kammerungswerkzeugen zu umfassen, die wahlweise an der Vorrichtung betrieben werden können, um unterschiedliche Werkstückdurchmesser durch Aufdickung bearbeiten zu können oder auch um verschieden starke Aufdickungen oder auch verschiedene Arten der Konturierung zu realisieren.
  • Bei der Randaufdickung auf nur einer Seite des Werkstückes kann es die Erfindung vorsehen, dass sich die einander radial gegenüberliegenden Flächen von Umformwerkzeug und demjenigen Kammerungswerkzeug, dass bereits anfänglich spaltlos das Werkstück kontaktiert, berühren. Das Umformwerkzeug kann sodann mit radialen Kontakt zum spaltlos angeordneten Kammerungswerkzeug in axialer Richtung an diesem entlang geführt werden, wobei das mit Spaltabstand zum Werkstück angeordneten Kammerungswerkzeug durch das Umformwerkzeug axial entgegen der genannten Kraft verschoben wird. Hierdurch bleibt das verschobene Kammerungswerkzeug in einem axialen Kontakt mit dem Umformwerkzeug und das unverschobene Kammerungswerkzeug in einem radialen Kontakt mit dem Umformwerkzeug.
  • Sofern beide Kammerungswerkzeuge in axialer Richtung an der Vorrichtung verschiebbar angeordnet sind kann das Umformwerkzeug axiale Stirnflächen beider Kammerungswerkzeuge überdecken und berühren und dementsprechend beide Kammerungswerkzeuge gleichzeitig in axialer Richtung verschieben, wenn die umformende Kraft auf das Werkstück ausgeübt, Material radial verlagert wird und sich hierbei das Umformwerkzeug axial bewegt. So bleibt trotz einer Bewegung des Umformwerkzeuges das Werkstück beidseitig eingekammert und der radiale Materialfluß begrenzt.
  • Das äußere Kammerungswerkzeug kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung z.B. als Ringelement ausgebildet sein, welches den Werkstückhalter umgibt und axial verschieblich an diesem gelagert, insbesondere befestigt ist. Das äußere Kammerungswerkzeug kann z.B. mehrteilig ausgebildet sein, z.B. in axialer Richtung. Derjenige Bereich des äußeren Kammerungswerkzeuges, welcher den radialen Materialfluß bei der Umformung begrenzt kann z.B. aus einem anderen Material hergestellt sein, als übrige Bereiche des Kammerungswerkzeuges. Z.B. kann dieser Bereich eine höhere Härte aufweisen oder eine geringere Neigung zur Materialanhaftung als die übrigen Bereiche.
  • Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass das äußere Kammerungswerkzeug einen den Materialfluß begrenzenden Endbereich aufweist, der in axialer Richtung über einen Montagebereich, insbesondere eine Montagefläche, an dem das Werkstück befestigbar ist, übersteht. Der Überstand kann eine Höhe haben, die mindestens so groß ist wie die axiale Länge des auf dem Montagebereich zu befestigenden Werkstückes. So wird sichergestellt, dass das äußere Kammerungswerkzeug vom Umformwerkzeug in axialer Richtung entgegen der wirkenden Kraft zurückgedrückt werden kann, bis dass die axiale Stirnfläche des Kammerungswerkzeuges und des Werkstückes in einer Ebene liegen und die Umformung beginnt.
  • Die Erfindung kann vorsehen, dass der den Materialfluß begrenzende Endbereich des äußeren Kammerungswerkzeuges eine radial innenliegende Verzahnung aufweist. Neben der reinen Materialflußbegrenzung bewirkt das Kammerungswerkzeug sodann auch, dass der aufgedickte Rand des Werkstückes das Negativ der Verzahnungsform annimmt. Es können so direkt Verzahnungseinprägungen simultan zur Aufdickung erstellt werden.
  • Das innere Kammerungswerkzeug kann bevorzugt ein Befestigungsmittel bilden, mit dem das Werkstück am Werkzeughalter befestigbar ist. Eine solche Befestigung kann z.B. durch Formschluss und/oder Kraftschluss und/oder Reibschluss erfolgen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Boden eines napfförmigen Werkstückes zwischen einer senkrecht zur Drehachse angeordneten Montagefläche des Werkstückhalters und einer senkrecht zur Drehachse angeordneten Fläche des inneren Kammerungswerkzeuges in axialer Richtung einspannbar ist.
  • Eine drehsichere Befestigung zwischen einem napfförmigen Werkstück und dem Werkstückhalter kann ergänzend z.B. dadurch erfolgen, dass zwischen dem Boden des Werkstückes und dem Werkstückhalter eine formschlüssige Verbindung entsteht, z.B. dadurch, dass der Boden eine n-eckige Ausnehmung aufweist, die auf einen n-eckigen Vorsprung am Werkstückhalter aufgesteckt ist. Das innere Kammerungswerkzeug kann vorgesehen sein, um die Formschlußverbindung zu sichern.
  • Allgemein kann es vorgesehen sein, dass das innere Kammerungswerkzeug mit einer Befestigungskraft in axialer Richtung zum Werkstückhalter beaufschlagbar ist, z.B. durch Verschrauben mit diesem in axialer Richtung. Z.B. kann so auch die Sicherung der zuvor benannten Formschlußverbindung erfolgen.
  • Ein inneres Kammerungswerkzeug kann im einfachsten Fall einem zylindrischen Körper entsprechen, der eine zentrische Bohrung für eine Schraube aufweist, wobei die äußere Zylindermantelfläche den Bereich bildet, der den radialen Materialfluß begrenzt.
  • Die Erfindung kann ebenso vorsehen, dass der Werkstückhalter einen in radialer Richtung spreizbaren Ring aufweist, der die Drehachse umgibt und auf den außen ein rohrförmiger Bereich eines Werkstückes, insbesondere ein Rohr aufsteckbar ist. Es kann hier vorgesehen sein, dass der Ring in axialer Richtung durch das innere Kammerungswerkzeug mit einer Kraft beaufschlagbar ist, insbesondere um das Werkstück durch radiale Verspannung am Werkstückhalter zu befestigen.
  • Das innere Kammerungswerkzeug kann zumindest an seinem den Materialfluß radial begrenzenden Endbereich eine außenliegende Verzahnung aufweisen, mit denselben Vorteilen und Wirkungen, wie sie zum äußeren Kammerungswerkzeug beschrieben wurden.
  • Das innere Kammerungswerkzeug kann zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei ein in axialer Richtung zum Werkstückhalter entfernter Teil gegenüber einem zum Werkstückhalter nahen Teil entgegen einer Kraft axial verschieblich ist. Dafür kann z.B. der ferne Teil auf einem am nahen Teil befestigten Dorn gegen die Kraft einer um den Dorn angeordneten Feder verschieblich gelagert sein. Bevorzugt bildet nur der bewegliche zum Werkstückhalter ferne Teil des inneren Kammerungswerkzeuges einen den Materialfluss radial begrenzenden Bereich. Z.B. kann der nahe Teil ein Befestigungsmittel bilden, mit dem das Werkstück am Werkzeughalter befestigbar ist, insbesondere durch Formschluss und oder Kraftschluss und/oder Reibschluss.
  • In allen möglichen Ausführungen kann es die Erfindung vorsehen, dass zumindest der den radialen Materialfluß begrenzende Bereich des inneren und/oder äußeren Kammerungswerkzeugs um die Drehachse herum rotationssymmetrisch ist oder n-zählig drehsymmetrisch ist, z.B. bei Verzahnungen, insbesondere wobei n der Zähneanzahl entsprechen kann.
  • In einer weiterhin vorteilhaften Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die senkrecht zur Drehachse angeordnete Montagefläche des Werkstückhalters, an der das Werkstück befestigbar ist, eine die Drehachse umgebende ringförmige Vertiefung aufweist, die zum äußeren Kammerungswerkzeug offen ist und in die ein Ring einlegbar ist, insbesondere wahlweise verschiedene Ringe einlegbar sind, wobei mit den Ringen wahlweise verschiedene axiale Materialflußbegrenzungen einstellbar sind.
  • Ein jeweiliger Ring kann eine ringförmige, insbesondere radial außenliegende Vertiefung/Ausnehmung aufweisen, die radial in Richtung zum äußeren Kammerungswerkzeug offen ist. In eine solche Ausnehmung hinein kann Material des Werkstückes axial verdrängt werden. Es kann so eine axial wahlweise unterschiedliche Materialverdrängung vorgenommen werden bis in einen Bereich, der in axialer Richtung der umformenden Kraft hinter der Montagefläche liegt und in der axialen Weite durch die axiale Tiefe der Vertiefung bzw. des darin eingesetzten Ringes begrenzt ist.
  • Auch ein solcher einsetzbarer Ring kann radial außen eine Verzahnung aufweisen, in die eine radial innenliegende Verzahnung des äußeren Kammerungselementes einliegt, insbesondere spaltlos bzw. spaltlos bis auf einen technisch nötigen Nullspalt. So wird sichergestellt, dass eine Verzahnung des äußeren Kammerungselementes in axialer Richtung durch die dazu nagative Verzahnung des eingelegten Ringes hindurchgeschoben werden kann ohne dass Material des Werkstückes in einen Spalt zwischen den Verzahnungen eindringen kann.
  • Ein Umformwerkzeug kann z.B. eine Druckfläche aufweisen, die gegenüber dem sich drehenden Werkstück ortsfest ist. Eine solche Druckfläche kann durch die Reibung zwischen dieser Fläche und der bewegten axialen Stirnfläche des Werkstückes zu einer Erwärmung führen.
  • Bevorzugt wird es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Umformwerkzeug eine um eine Achse drehbare Druckrolle umfasst, deren Achse senkrecht zur Drehachse des Werkstückhalters orientiert ist. Hierdurch kann die äußere Mantelfläche der Druckrolle auf der axialen Stirnfläche des Werkstückes abrollen, wodurch Reibung reduziert wird. Insbesondere kann so eine Kaltverfestigung des Materials im aufgedickten Bereich erzeugt werden.
  • Die Erfindung kann hier auch vorsehen, dass die Druckrolle des wenigstens einen Umformwerkzeugs aktiv angetrieben ist. So kann durch den Antrieb der Druckrolle das Werkstück im Werkstückhalter in Rotation versetzbar sein.
  • Die Erfindung kann bevorzugt auch vorsehen, dass eine Druckrolle eines Umformwerkzeuges ohne eigenen Antrieb passiv drehbar ist, insbesondere in beiden möglichen Drehrichtungen freilaufend drehbar ist.
  • Unabhängig von der konkreten Art der Ausbildung eines Umformwerkzeuges kann es die Erfindung vorsehen mehr als ein Umformformwerkzeug vorzusehen, bevorzugt wobei die sodann wenigstens zwei Umformwerkzeuge in einer gleichmäßigen Winkelteilung die axiale Stirnseite des Werkstückes kontaktieren. Hierdurch werden die wirkenden Umformkräfte ausbalanciert. Insbesondere kann so auch die Bearbeitungszeit verkürzt werden.
  • Bevorzugt sieht die Erfindung vor, das Werkstück zu drehen durch einen Antrieb, der den Werkzeughalter direkt in Rotation setzt. Eine Druckrolle eines Umformwerkzeuges wird bei dieser Ausführung passiv auf der axialen Stirnfläche des Werkstückes abrollen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert.
  • Die Figuren 1 zeigen die äußere Randaufdickung an einem napfförmigen Werkstück mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren. Die nachfolgend beschriebenen Elemente der Erfindung sind in allen Figuren 1A bis 1E gleich, sofern nicht ausdrücklich auf Abweichungen hingewiesen wird. Die Elemente sind in den Figuren 1 lediglich in verschiedenen Ansichten und verschiedenen Verfahrensstadien gezeigt.
  • Die Figuren 1A und 1B visualisieren in verschiedenen Ansichten zum Verfahrensbeginn die Vorrichtung mit einem Werkstückhalter 1, der mittels eines hier nicht gezeigten Antriebes um die Drehachse 2 gedreht werden kann. Dieser Werkstückhalter weist eine Montagefläche 1a auf, auf welcher ein zu bearbeitendes Werkstück 3 befestigt ist. Das Werkstück 3 ist hier napfförmig ausgebildet, d.h. es weist einen hier oberen rohrförmigen Bereich an einem Ende auf mit einer axialen Stirnfläche 3a und einen Boden 3b am unteren anderen Ende.
  • Mittels eines inneren Kammerungswerkzeuges 4, auf welches in axialer Richtung eine Haltekraft F1 ausgeübt wird, ist das Werkstück 3 an seinem Boden zwischen dem inneren Kammerungswerkzeug 4 und der Montagefläche 1a klemmend befestigt. Die Klemmung kann rein durch Kraft- und/oder Reibschluß erfolgen. Wie in Figur 1C gezeigt, kann auch eine Schraube 5 das innere Kammerungswerkzeug durchdringen und die genannte Kraft F1 aufbringen.
  • Das innere Kammerungswerkzeug liegt an der Innenwandung des Werkstückes 4 spaltlos an, so dass eine Materialverdrängung in radialer Richtung nach innen nicht möglich ist. Das innere Kammerungswerkzeug kann in einfachster Ausgestaltung eine kreisförmige Scheibe sein.
  • Um den Werkstückhalter herum ist ein äußeres Kammerungswerkzeug 6 angeordnet, z.B. das im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet sein kann. Das äußere Kammerungswerkzeug 6 ist in axialer Richtung der Drehachse 2 verschieblich am Werkstückhalter 1 angeordnet. Weiterhin ist das äußere Kammerungswerkzeug mit einer Kraft F2 in axialer Richtung nach oben beaufschlagt gegen die es nach unten bewegt werden kann.
  • Ein hier oberer Bereich des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 steht in axialer Richtung über die Montagefläche 1a nach oben hinaus und umgibt mit diesem Bereich das umzuformende Werkstück 4 unter Bildung eines radialen Spaltes 7. Dieser hinausstehende Bereich begrenzt in radialer Richtung die Möglichkeit Material des Werkstückes 4 zu verdrängen, d.h. in radialer Richtung kann durch eine Materialverdrängung nur der hier gezeigte Spalt gefüllt werden.
  • Ein Umformwerkzeug ist hier als Druckrolle 8 ausgebildet, die um eine Welle 9, bzw. deren Drehachse drehbar ist. Die Druckrolle wird mit einer Umformungskraft F3 in axialer Richtung nach unten beaufschlagt und kommt zunächst mit dem äußeren Kammerungswerkzeug 6, bzw. mit dessen die radiale Materialverdrängung begrenzenden Bereich in Kontakt. Der Kontakt besteht zwischen den sich axial gegenüberliegenden Flächen von Druckrolle 8 und äußerem Kammerungswerkzeug 6. Des Weiteren berühren sich die sich radial gegenüberliegenden Flächen von Druckrolle 8 und innerem Kammerungswerkzeug 4.
  • Durch die Beaufschlagung mit der Kraft F3 kommt die Druckrolle unter Verschiebung des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 in Kontakt mit der axialen Stirnfläche 3a des Werkstückes 4, wodurch die Verformung beginnt und Material des Werkstückes am rohrförmigen oberen Ende in den radialen Spalt 7 verdrängt wird, wie es den Figuren 1C und 1D in verschiedenen Ansichten zu entnehmen ist.
  • Durch die Abnahme der axialen Länge des Werkstückes 4 bewegt sich sowohl die Druckrolle 8 als auch das äußere Kammerungswerkzeug 6 in axialer Richtung nach unten, wobei die obere Stirnfläche des Kammerungswerkzeuges 6 mit der Druckrolle in Kontaktbleibt und in der Ebene der axialen Stirnfläche 3a des Werkstückes 3 liegt. Der Rohrwandungsbereich des Werkstückes 3 wird aufgedickt auf eine Dicke, die dem radialen Abstand zwischen den beiden Kammerungswerkzeugen 4 und 6 entspricht.
  • Die Figuren 1 zeigen weiterhin, dass die Montagefläche 1a eine in Umfangsrichtung umlaufende Ausnehmung 10 aufweist, die radial in Richtung zum äußeren Kammerungswerkzeug 6 offen ist und in die hier ein Ring 11 eingelegt ist. Der hier in den Figuren 1A bis 1D gezeigte Ring 11 hat eine axiale Dicke, die der axialen Tiefe der Ausnehmung 10 entspricht und eine radiale Breite, die der radialen Breite der Ausnehmung 10 entspricht. Das bedeutet, dass der Ring 11 die Ausnehmung 10 vollständig auffüllt und eine in radialer Richtung bis zum äußeren Kammerungselement 6 durchgehende Montagefläche 1a gebildet wird.
  • Demgegenüber zeigt die Figur 1E eine abgewandelte Ausführung, in welcher der in die Ausnehmung 10 eingelegte Ring 11 selbst eine umlaufende zum äußeren Kammerungswerkzeug 6 radial offene Vertiefung 11a aufweist. Diese Vertiefung bewirkt, dass die Montagefläche 1a im radial außen liegenden Bereich nach unten vertieft ist und so ein Bereich gebildet wird, in den Material des Werkstückes 3 auch axial bis unter die Montageflächenebene 1a verdrängt werden kann. Hierdurch wird der in der Figur 1E axial nach unten vorstehende Kragen am Werkstück 3 gebildet.
  • Die Figuren 2 zeigen eine Abwandlung der Ausführung gemäß den Figuren 1, bei der zusätzlich zur radial äußeren Aufdickung eine Verzahnung in das Werkstück 3 bei der Materialverlagerung eingepresst wird. Die Figuren 2A und 2B zeigen einen Anfangszustand und die Figuren 2C und 2D den Endzustand des umgeformten Werkstückes 3.
  • Hierfür ist es vorgesehen, dass diejenige innere Wandfläche des äußeren Kammerungswerkzeuges 6, welche den radialen Materialfluß begrenzt, somit also anfänglich mit Spalt 7 radial außen vom Werkstück 3 angeordnet ist, die Negativform 6a einer herzustellenden Verzahnung aufweist, in welches sodann bei der Materialverlagerung während der Umformung Material hineinverlagert wird, dass sodann in der Außenkontur die entsprechende Positiv-Form annimmt.
  • Damit innerhalb des negativgeformten Verzahnungsbereiches 6a des äußeren Kammerungswerkstückes 6 kein ungewünschter Materialfluß in axialer Richtung nach unten in einen Bereich unterhalb der Montagefläche 1a stattfindet, sieht die Erfindung hier vor, dass der bereits zur Figur 1 beschriebenen Ring 11 in der Montageflächenausnehmung 10, eine nach radial außen weisende Verzahnung 11a aufweist, die der Positivform der herzustellenden Verzahnung entspricht, somit also faktisch spaltlos (ggfs. bis auf einen technischen Nullspalt) in der Negativform des Verzahnungsbereiches 6a des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 einliegt. Dadurch ist der Verzahnungsbereich 6a des Kammerungswerkzeuges 6 axial verschlossen und das verdrängte Material kann nicht unter die Montagefläche gelangen.
  • Bis auf die Verzahnung im Kammerungswerkzeug 6 und im Ring 11 ist die Ausführung ansonsten identisch zu den Figuren 1, so dass die weiteren dortigen Beschreibungen bei den Figuren 2 ebenso zutreffen.
  • Bei den Figuren 3 ist die Ausführung derart, dass ein ebenso napfförmiges Werkstück 3 mit einer Innenverzahnung bei der Durchführung der Randaufdickung versehen wird. Weiterhin sind hier statt einem Umformwerkzeug zwei Umformwerkzeuge vorgesehen mit je einer Druckrolle 8, die um eine Drehachse 9 rotiert. Die Umformwerkzeuge, bzw. deren Druckrollen 8 weisen einen Winkelabstand von 180 Grad auf.
  • Das äußere Kammerungswerkzeug 6 liegt außen spaltlos am Werkstück 3 an. Das innere Kammerungswerkzeug ist mehrteilig aufgebaut und weist einen Zapfen 4a auf, der den Boden des Werkstückes 3 durchdringt und in der Montagefläche des Werkstückhalters 1 befestigt ist. Auf dem Zapfen 4a ist ein den radialen Materialfluß begrenzender Kammerungswerkzeugteil 4c axial verschieblich gelagert, hier konkret gegen die Kraft einer auf dem Zapfen 4a angeordneten Feder 4b gelagert.
  • So wird anfänglich gemäß Figur 3A das obere Kammerungswerkzeugteil 4c mit seiner axialen Stirnfläche gegen die Rollen 8 der Umformwerkzeuge gedrückt, ebenso wie dies bei dem kraftbelasteten äußeren Kammerungswerkzeug 6 der Fall ist. Die axiale Werkstückstirnfläche 3a ist somit mit den axial oberen Stirnflächen beider Kammerungswerkzeuge in derselben Ebene. Durch die Bewegung der Druckrollen 8 nach unten werden sodann beide Kammerungswerkzeuge entgegen der jeweiligen Kraft nach unten axial verschoben, wie es Figur 3C zeigt.
  • Die radial außen liegende Umfangsfläche des inneren Kammerungswerkzeugteiles 4c weist eine negative Form einer herzustellenden Verzahnung auf. Mit den Zahnspitzen liegt diese Umfangsfläche gemäß Figur 3B hier spaltlos an der Werkstückinnenwandung an, es kann aber auch ein zusätzlicher Spalt vorgesehen sein. Durch die Umformung wird sodann zumindest insoweit eine Randverdickung am Werkstück erstellt, als dass Material radial in die Negativverzahnung verlagert wird. Bei einem vorliegenden Spalt erfolgt eine Aufdickung auch über die Spaltbreite hinweg.
  • Die Figuren 3C und 3D zeigen die Vorrichtung mit dem umgeformten Werkstück 3.
  • Die Figuren 4 beschreiben eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen statt eines napfförmigen Werkstückes ein insgesamt rohrförmiges Werkstück 3 an einem seiner rohrförmigen Enden, hier dem oberen Ende in der Wandstärke aufgedickt wird, während das Werkstück 3 mit dem anderen rohrförmigen Ende am Werkzeughalter 1 eingespannt ist und mit diesem rotiert wird. Die Aufdickung erfolgt hier radial außen.
  • Der Werkstückhalter 1 weist hier eine Spreizanordnung auf, mittels der das untere rohrförmige Ende des Werkstückes 3 am Werkstückhalter festgespannt werden kann.
  • Ein oberer Flächenbereich 1a des Werkzeughalters, der in den Ausführungen der Figuren 1 bis 3 als Montagefläche dient, weist eine die Drehachse 2 konzentrisch umgebende ringförmige Ausnehmung auf, in der ein Spreizring 1 b einliegt. Dieser Spreizring wird durch die Bodenfläche der Ausnehmung gegen ein axiales Verschieben gesichert. Der Spreizring 1 b weist eine obere Stirnfläche auf, die konisch ausgebildet ist, so dass eine Kraftausübung auf diese Stirnfläche zu einer vektoriellen Kraftaufspaltung führt mit einer Kraftkomponente, die nach radial außen weist und so zu einer Spreizung des Ringes, also einer Durchmesservergrößerung führen kann.
  • Der Spreizring 1b liegt mit seiner radialen Außenseite an der Innenwandfläche eines einzuspannenden rohrförmigen Werkstückes 3 an. Auf der Werkstückaußenseite und gegenüberliegend zu diesem Spreizring 1 b ist das Werkstück 3 an seiner Außenwandung durch einen ringförmigen axialen Vorsprung 1c abgestützt. Das Werkstück 3 wird somit zwischen dem Spreizring 1b und dem Vorsprung 1c eingeklemmt. Zur Verbesserung der Halterung des Werkstückes 3 kann der Werkzeughalter - wie hier dargestellt - eine ringförmige Vertiefung 1 d aufweisen, in die das Werkstück 3 zusätzlich in axialer Richtung eingesteckt ist.
  • In das obere Ende des Werkstückes 3 ist ein inneres Kammerungswerkzeug 4 eingesetzt, das hier spaltlos an der Wandinnenseite des Werkstückes 3 anliegt. Das innere Kammerungswerkzeug 4 weist eine axiale Länge auf, so dass es axial über die axiale ringförmige Stirnfläche 3a des Werkstückes 3 nach oben übersteht. Durch eine Kraftbeaufschlagung F1 in axialer Richtung nach unten drückt das innere Kammerungswerkzeug 3 in axialer Richtung auf den Spreizring 1b und spreizt diesen hierdurch. Die den Spreizring 1b kontaktierende ringförmige Fläche des inneren Kammerungswerkzeuges 4 weist dabei dieselbe konische Ausbildung auf, wie die axiale Stirnfläche des Spreizringes 1 b. Das innere Kammerungswerkzeug 3 wirkt somit auch als Befestigungselement für das Werkstück 3. Die genannte Spreizanordnung umfasst somit die ringförmigen Vertiefungen 1b, 1d, den Spreizring 1b und das innere Kammerungswerkzeug 4.
  • Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungen ist um den Werkstückhalter 1 ein äußeres Kammerungswerkzeug 6 angeordnet, das in axialer Richtung der Drehachse 2 entgegen einer axialen Kraft F2 beweglich ist. In der hier gezeigten Ausführung weist die Innenwandung des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 einen Abstand in radialer Richtung zur Außenwandung des Werkstückes 3 auf. Durch die Ausübung einer Kraft F3 mittels der Druckrolle 8 wird somit Material des Werkstückes in diesen radialen Abstandsbereich verlagert und das Werkstück 3 bis zum Innendurchmesser des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 aufgedickt. Das aufgedickte Werkstück 3 ist in den Figuren 3C und 3D erkennbar.
  • Die Figuren 5 zeigen eine andere Ausführung, bei der ein insgesamt rohrförmiges Werkstück 3 bei der Aufdickung mit einer Innenverzahnung versehen. Sie wie bei den Figuren 3 werden hier zwei Umformwerkzeuge eingesetzt mit jeweiligen Druckrollen 8.
  • Bei der hier gezeigten Ausführung liegt die Innenwandung des äußeren Kammerungswerkzeuges 6, das gegen die Kraft F3 axial verschieblich ist, spaltlos an der Außenwandung des Werkstückes an, so dass kein Material radial nach außen verlagert werden kann.
  • Die Verspannung und somit Befestigung des Werkstückes am Werkstückhalter erfolgt wie bei den Figuren 4, allerdings ist hier das innere Kammerungswerkzeug 4 wiederum mehrteilig ausgebildet.
  • Es weist wie bei den Figuren 3 einen Zapfen 4a auf, auf dem ein oberes Teil 4c des inneren Kammerungswerkzeuges gegen eine Kraft, hier erzeugt durch die Feder 4b, verschieblich ist. Dieses obere Teil 4c stellt den Teil dar, welcher die Materialverlagerung nach radial innen begrenzt. An der radialen Außenwand weist das obere Teil 4c eine Außenverzahnung als Negativform auf, so dass die entsprechende Positivform am randaufgedickten Werkzeug 3 erzeugt wird. Gemäß Figur 5B liegen die Zahnspitzen spaltlos am Werkstück 3 an, es kann aber auch ein zusätzlicher Spalt zwischen den Zahnspitzen und dem Werkstück 3 vorhanden sein.
  • Die auf den Zapfen 4a ausgeübte Kraft F1 wird über diesen in das Unterteil 4d eingeleitet und wirkt so direkt auf den Spreizring 1d, wie es zu den Figuren 4 beschrieben wurde. Das Werkstück 3 wird somit in beschriebener Weise verspannt.
  • Durch die Druckrollen 8, welche die axialen Stirnflächen des oberen Teils 4c des inneren Kammerungswerkzeuges 4, des Werkstückes 3 und des äußeren Kammerungswerkzeuges 6 kontaktieren, wird bei der Kraftausübung Material des Werkstückes nach radial innen in die Verzahnung des Teils 4c verlagert, wodurch die axiale Höhe des Werkstückes abnimmt und das äußere Kammerungswerkzeug 6 sowie das innere Kammerungswerkzeug 4 mit seinem oberen Teil 4c axial nach unten verschoben werden gegen die jeweils auf sie wirkende rückstellende Kraft.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Randaufdickung eines Werkstückes (3) mit einem rohrförmigen Endbereich an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden, gekennzeichnet durch:
    a. einen um eine Drehachse (2) drehbaren, insbesondere angetriebenen Werkstückhalter (1), an dem ein Werkstück (3) befestigbar ist und mit dem zusammen das Werkstück (3) um die Drehachse (2) herum drehbar ist,
    b. ein inneres Kammerungswerkzeug (4), das radial innenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes (3) angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluss nach radial innen begrenzbar ist,
    c. ein äußeres Kammerungswerkzeug (6), das radial außenliegend zu dem rohrförmigen Endbereich des Werkstückes (1) angeordnet ist, insbesondere mit dem ein Materialfluß nach radial außen begrenzbar ist,
    d. wenigstens ein Umformwerkzeug (8, 9), insbesondere axial parallel zur Drehachse (2) bewegbares Umformwerkzeug (8, 9), das an die Stirnfläche (3a) des rohrförmigen Endbereiches des Werkstückes (3) anstellbar ist, insbesondere in der axialen Richtung anstellbar ist und mit dem auf die Stirnfläche (3a) insbesondere in der axialen Richtung eine Umformkraft ausübbar ist,
    e. wobei zumindest eines der beiden Kammerungswerkzeuge (4, 6) einen vom Umformwerkzeug (8, 9) kontaktierbaren Bereich aufweist, mit dem der radiale Materialfluß des Werkstückes (3) begrenzbar ist und der durch das Umformwerkzeug (8, 9) in Richtung der Drehachse (2) entgegen einer wirkenden Kraft (F2) verschieblich ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Kammerungswerkzeug (6) als Ringelement ausgebildet ist, welches den Werkstückhalter (1) umgibt und axial verschieblich an diesem gelagert, insbesondere befestigt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Kammerungselement (6) einen den Materialfluß begrenzenden Endbereich aufweist, der in axialer Richtung über einen Montagebereich, insbesondere eine Montagefläche (1a), an dem das Werkstück (3) befestigbar ist, übersteht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Materialfluß begrenzende Endbereich des äußeren Kammerungselementes (6) eine radial innenliegende Verzahnung (6a) aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kammerungselement (4) ein Befestigungsmittel bildet, mit dem das Werkstück (1) am Werkzeughalter (1) befestigbar ist, insbesondere durch Formschluss und/oder Kraftschluss und/oder Reibschluss.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kammerungselement (4) mit einer Befestigungskraft (F1) in axialer Richtung zum Werkstückhalter (1) beaufschlagbar / beaufschlagt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (3b) eines napfförmigen Werkstückes (3) zwischen einer senkrecht zur Drehachse (2) angeordneten Montagefläche (1a) des Werkstückhalters (1) und einer senkrecht zur Drehachse(2) angeordneten Fläche des inneren Kammerungselementes (4) in axialer Richtung einspannbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (1) einen in radialer Richtung spreizbaren, bevorzugt elastomeren Ring (1b) aufweist, der die Drehachse (2) umgibt und auf den außen ein rohrförmiger Bereich eines Werkstückes (3), insbesondere ein Rohr (3) aufsteckbar ist und der Ring (1b) in axialer Richtung durch das innere Kammerungselement (4) mit einer Kraft (F1) beaufschlagbar ist, insbesondere um das Werkstück (3) durch radiale Verspannung am Werkstückhalter (1) zu befestigen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kammerungselement (4) zumindest an seinem den Materialfluß radial begrenzenden Endbereich eine außenliegende Verzahnung aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kammerungselement (4) zwei- oder mehrteilig ausgebildet ist, wobei der in axialer Richtung zum Werkstückhalter (1) entfernte Teil (4c) gegenüber dem zum Werkstückhalter (1) nahen Teil (4d) entgegen einer Kraft axial verschieblich ist, insbesondere auf einem am nahen Teil befestigten Dorn (4a) gegen die Kraft einer um den Dorn (4a) angeordneten Feder (4b) verschieblich gelagert ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur der bewegliche zum Werkstückhalter (1) ferne Teil (4c) des inneren Kammerungselementes (4) einen den Materialfluss radial begrenzenden Bereich bildet, insbesondere der nahe Teil (4d) ein Befestigungsmittel bildet, mit dem das Werkstück (3) am Werkzeughalter (1) befestigbar ist, insbesondere durch Formschluss und oder Kraftschluss und/oder Reibschluss.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Drehachse (2) angeordnete Montagefläche (1a) des Werkstückhalters (1), an der das Werkstück (3) befestigbar ist, eine die Drehachse (2) umgebende ringförmige Vertiefung (10) aufweist, die zum äußeren Kammerungselement (6) offen ist und in die ein Ring (11) einlegbar ist, insbesondere wahlweise verschiedene Ringe (11) einlegbar sind, wobei mit den Ringen (11) wahlweise verschiedene axiale Matarialflußbegrenzungen einstellbar sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring (11) eine ringförmige, insbesondere radial außenliegende Vertiefung/Ausnehmung aufweist, die radial in Richtung zum äußeren Kammerungselement offen ist, insbesondere in die hinein Material des Werkstückes (3) axial verdrängbar ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring(11) radial außen eine Verzahnung (11a) aufweist, in die eine radial innenliegende Verzahnung (6a) des äußeren Kammerungselementes (6) einliegt.
  15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Umformwerkzeug (8, 9) eine um eine Achse / Welle (9) drehbare Druckrolle (8) umfasst, deren Achse senkrecht zur Drehachse (2) des Werkstückhalters (1) orientiert ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckrolle (8) des Umformwerkzeuges (8, 9) aktiv angetrieben ist, insbesondere durch den Antrieb der Druckrolle (8) das Werkstück (3) im Werkstückhalter (1) in Rotation versetztbar ist.
  17. Verfahren zur Randaufdickung eines Werkstückes (3) mit einem rohrförmigen Endbereich an zumindest einem seiner sich axial gegenüberliegenden Enden, bei dem das Werkstück (3) an einem Werkstückhalter (1) befestigt wird und zusammen mit dem Werkstückhalter (1) um eine Drehachse (2) herum gedreht wird, wobei radial im Inneren des rohrförmigen Endbereiches ein inneres Kammerungswerkzeug (4) angeordnet wird, mit dem ein Materialfluss nach radial innen begrenzt wird und radial außen um das Werkstück (3) ein äußeres Kammerungswerkzeug (6) angeordnet wird, mit dem ein Materialfluß nach radial außen begrenzt wird, wobei zumindest eines der Kammerungswerkzeuge (4, 6) mit einem radialen Spalt (7) zum Werkstück (3) angeordnet ist, in den hinein ein radialer Materialfluß erzeugt wird, dadurch, dass ein Umformwerkzeug (8, 9), insbesondere axial parallel zur Drehachse (2), an die Stirnfläche (3a) des rohrförmigen Endbereiches des Werkstückes (3) angestellt und mit dem Umformwerkzeug (8, 9) auf die Stirnfläche (3a), insbesondere in der axialen Richtung, eine Umformkraft (F3) ausgeübt wird, wobei der den radialen Materialfluß begrenzende Bereich von zumindest einem der beiden Kammerungswerkzeuge (4, 6), welcher vom Umformwerkzeug (8, 9) kontaktiert wird, durch das Umformwerkzeug (8, 9) bei der Umformung des Werkstückes (3) in Richtung der Drehachse (2) entgegen einer wirkenden Kraft (F2) verschoben wird.
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