EP3682981B1 - Verfahren und vorrichtung zum drückwalzen - Google Patents

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EP3682981B1
EP3682981B1 EP20159889.3A EP20159889A EP3682981B1 EP 3682981 B1 EP3682981 B1 EP 3682981B1 EP 20159889 A EP20159889 A EP 20159889A EP 3682981 B1 EP3682981 B1 EP 3682981B1
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EP
European Patent Office
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workpiece
roller
rotation
support
clamping
Prior art date
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EP20159889.3A
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EP3682981A1 (de
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Benedikt Nillies
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Leifeld Metal Spinning GmbH
Original Assignee
Leifeld Metal Spinning GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/18—Spinning using tools guided to produce the required profile
    • 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
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/26—Making other particular articles wheels or the like
    • B21D53/30—Making other particular articles wheels or the like wheel rims

Definitions

  • the invention relates to a method for flow-forming a vehicle wheel, wherein a workpiece is set in rotation about an axis of rotation by means of a spindle and at least one outer roller is fed by means of an outer support on an outside of the workpiece, with an axially extending jacket area of the workpiece being formed with material thinning , according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for flow-forming with a spindle which can be driven by a drive to rotate about an axis of rotation and is designed to hold a workpiece, at least one outer roller which is rotatably mounted on an outer support which is used to feed the workpiece axially and radially can be moved relative to the axis of rotation, and at least one inner roller which can be advanced to an inner side of the workpiece opposite the outer roller, according to the preamble of claim 8.
  • the spinning chuck also known as a spinning tool, represents the negative form of the inner geometry of the rim of a vehicle wheel.
  • a change in the rim usually also requires a change in the spinning chuck, which is expensive.
  • Manufacturing vehicle wheels or other pressed parts with an inner contour is therefore often only economical for large quantities.
  • Such a generic method with a pressure chuck is from DE 10 2011 117 034 A1 known.
  • axial limiting rollers are provided to limit an axial flow of material.
  • a method for flow-forming with increased flexibility in shaping is from EP 2 210 682 B1 known.
  • a variable spinning mandrel with a conical outer contour is provided as the spinning chuck.
  • the spinning mandrel is arranged concentrically to the axis of rotation.
  • a variable inner diameter can be provided at the respective forming zone.
  • this method is limited to certain inner contours.
  • a tool for flow-forming hollow-cylindrical workpieces is known.
  • inner rollers are delivered to an outer contour with an inner roller carrier.
  • a fixed distance is predetermined between the outer roller and the inner roller, which distance predetermines the extent of flow-ironing and the wall thickness of the tubular workpiece to be formed.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for flow-forming with which a particularly large variety of vehicle wheel shapes can be produced flexibly and efficiently.
  • the method according to the invention is characterized in that at least one inner roller is fed to an inner side of the workpiece by means of an inner support, which can be moved axially and radially to the axis of rotation independently of the outer support, and that the inner support with the inner roller and the The outer support can be moved individually with the outer roller, with a defined wall thickness profile having different wall thicknesses being formed between the at least one outer roller and the at least one inner roller on the casing area.
  • a basic idea of the invention is to move away from a specified spinning tool, which specifies a negative shape of an inner contour of the workpiece, and to provide at least one inner roller for shaping the inner contour.
  • the inner roller is not moved in a straight line parallel to the outer roller, but the inner roller is mounted on an inner support, which can be moved axially and radially to the axis of rotation independently of the outer support. In this way, an almost unlimited variety of shapes can be produced without converting a spinning tool.
  • a CNC control is provided and preferably additional programming support software, which is used in particular offline on a PC.
  • the inner support with the inner roller and the outer support with the outer roller can be moved independently of one another.
  • a free contour course can thus be set on the inside and outside of the workpiece.
  • the effective shaping gap and thus a wall thickness profile in the axial jacket region of the workpiece to be shaped can be formed with a high degree of shaping freedom.
  • the term flow-forming is to be understood broadly within the meaning of the invention and includes not only forming with a change in wall thickness but also pressing with the wall thickness remaining the same.
  • a preferred embodiment of the invention consists in the fact that the at least one inner roller and the at least one associated outer roller are moved radially and axially with respect to one another in order to shape the jacket region.
  • an individual course of the inner contour and outer contour as well as a wall thickness course arranged between them can be set almost as desired.
  • the wall thickness is not only determined by a radial distance between the inner roller and the outer roller.
  • the inner roller or the outer roller can advance or lag behind the other roller in a targeted manner in the axial direction.
  • an abutment function is also created in an axial direction, which can be essential for ironing with a precise shape.
  • the workpiece is clamped on the spindle, with a free space remaining in a central area radially inside the jacket area.
  • This jacket area is designed so large that at least one inner roller can be advanced to an inner contour of the jacket area.
  • the workpiece is preferably clamped on one side on the spindle, for example by means of a three-jaw or multi-jaw chuck.
  • Other clamping mechanisms may be used, including an axial clamping element or back-up element that attaches to or through a central opening at a hub portion of the workpiece.
  • the workpiece is clamped in a partial area of the outer circumference.
  • the workpiece can be held centered on the spindle from the outside using appropriate clamping jaws.
  • the workpiece is provided with a clamping and/or centering aid before flow-forming.
  • a centering for centering the workpiece during the clamping process is preferably provided.
  • a corresponding centering aid can also be attached to the workpiece, which is cast on, in particular in the case of cast wheels. This can be designed in such a way, for example by means of projections or stop edges, that they support the transmission of torque from the chuck to the workpiece.
  • the invention provides for the clamping and/or centering aid to be removed from the workpiece after flow-forming. This can be done in particular by simple machining. This can also be done with a separate machine, such as a lathe, or the flow-forming device itself with a cutting additional tool.
  • a preferred embodiment of the invention provides for an internal clamping device to be provided, by which a hub area of the workpiece is covered. This is because the forming of the wheel preferably begins in the immediate vicinity of a radially running hub region of the workpiece. On certain vehicle rims, this can be a star or rim spokes.
  • the clamping device has a relatively large, plate-like clamping surface, which covers and protects the specially designed and preformed hub area.
  • the method according to the invention can be used to form any desired workpiece with an axially running, tubular casing area.
  • the casing area is designed as a rim base of a vehicle wheel with at least one hump, which is formed as a thickening in the wall thickness profile.
  • the forming of a cast preform into a rim blank is then further processed into the finished wheel, in particular by machining.
  • a largely weight-optimized vehicle wheel can be produced in which the course of the wall thickness of the rim well is adapted to the actual load on the vehicle wheel during operation.
  • areas with low loads are formed with a small wall thickness, while heavily loaded areas are formed with a correspondingly large wall thickening.
  • a hump that is to say a bead for fixing the tire to the rim base, can also be formed in a simple manner by thickening the wall along the rim base.
  • the hump represents an annular elevation on the rim base that protrudes radially outwards.
  • the inner roller and the outer roller are simultaneously moved relative to one another in the radial and axial directions.
  • the side rim flanges can also be shaped in a corresponding manner.
  • Additional and different inner rollers with a modified and adapted outer contour can also be used to shape the rim flanges.
  • contoured outer rollers to form the rim flanges. Thanks to the freely programmable interior and In addition, external rollers enable a gradual reshaping of the rim contour so that higher strain hardening and/or structural changes are brought about in specific areas of the rim. As a result, increases in stability and/or weight reductions on the workpiece are possible.
  • the flow-forming device is characterized in that the at least one inner roller is rotatably mounted on an inner support, which is mounted so that it can be moved axially and radially to the axis of rotation independently of the outer support, and that a CNC control for individually moving the at least one inner support with the inner roller and the at least one outer support is provided with the outer roller, a wall thickness profile of the workpiece being adjustable between the inner roller and the outer roller.
  • the device according to the invention can be used in particular to carry out the method described above.
  • the advantages described above can be achieved in this way.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention consists in the fact that several inner rollers and outer rollers are provided, with one inner roller each being assigned to an outer roller.
  • a plurality of inner rollers, preferably three inner rollers, are preferably arranged on a common roller carrier.
  • the individual inner rollers can be pivotally adjustable relative to the axis of rotation. In this way, a targeted shaping of the various contour areas of the workpiece can be achieved.
  • inner rollers or inner supports that can be adjusted axially and/or radially with respect to one another can be provided separately in a further preferred embodiment.
  • a clamping device for clamping the workpiece is arranged on the spindle, with a free space remaining in a central area radially inside the jacket area of the workpiece.
  • the at least one inner support can be moved into this free space, so that an inner contour of the jacket area of the workpiece can be formed by the at least one inner roller.
  • a control device is provided with a data memory in which data sets for moving the inner roller and the outer roller are stored for different workpiece shapes.
  • the device with the control device is provided with a long-distance data connection, in particular an Internet connection. In this way, new or updated data records for existing or new workpieces can be transferred to the machine's data memory.
  • the device according to the invention can thus be provided for highly flexible use in Industry 4.0 projects.
  • rollers are provided with an auxiliary drive for driving the roller in rotation.
  • Both the inner rollers and the outer rollers can be provided with a respective roller drive.
  • the inner and/or outer rollers can be accelerated before they come into contact with the rotating workpiece material to be formed. This counteracts caking on the rollers and/or increased wear on the rollers.
  • the roller drive is designed with a freewheel or speed control device that enables automatic adjustment of the peripheral speed of the roller to the component.
  • An ejector in particular an axially adjustable ejector, can be used for ejection from the clamping device.
  • the ejection is preferably performed as a controlled movement.
  • the device for flow-forming is preferably designed as a vertical machine with a suspended or alternatively standing spindle, so that the workpiece centering is facilitated.
  • the counterholder of the clamping device can also assume the function of loading and unloading.
  • the inner and/or outer supports are preferably designed as independently controllable supports that are only electrically synchronized.
  • the outer roller is preferably employed at an angle of 0 to 15 ° to the axis of rotation while the inner rollers are preferably set at an angle of 0 to 45° and contribute to the forming process via a preferably significantly larger roller radius.
  • the infeed of the outer and inner rollers is preferably carried out via two linear working cross slides. Alternatively, the use of at least two inner rollers on the cross support can be dispensed with by simultaneously shifting or adjusting the rollers using wedge slides.
  • a device 10 according to the invention for flow-forming according to FIG 1 has a spindle 12 driven in rotation via a drive, not shown.
  • the spindle 12 rotates about a central axis of rotation 13, which runs horizontally in the illustrated example.
  • the spindle 12 can be oriented vertically with the axis of rotation 13, with a workpiece 5 then resting on the spindle 12 or, in the case of a hanging spindle arrangement, being clamped on a spindle 12 lying at the top.
  • a workpiece 5 can be connected to the spindle 12 in a detachable and non-rotatable manner and centrically to the axis of rotation 13 via a plate-shaped clamping device 14 attached to the spindle 12 with axially acting clamping claws 16 .
  • the workpiece 5 is a preform of a vehicle wheel.
  • the preform is preferably made of metal material by casting or forging manufactured.
  • the rotationally symmetrical workpiece 5 has an essentially radially extending hub area 6 with a central opening 4 and an essentially axially extending drum-shaped casing area 7 . With the clamping claws 16, the workpiece 5 is fastened on one side on its outer circumference to the spindle 12.
  • the spindle 12 with the workpiece 5 is rotated.
  • three outer rollers 20, of which only one outer roller 20 is shown are fed radially onto the outside of the jacket region 7 of the workpiece 5 by means of outer supports (not shown).
  • an inner support 40 with three inner rollers 30 arranged offset from one another by 120° is fed into a central free space within the drum-shaped casing area 7 .
  • the inner rollers 30 are initially placed adjacent to the radial hub area 6 on an inside of the casing area 7 .
  • the inner support 40 has a centric and conical middle support 42, on the outside of which linear guides 44 for carriages 46 are arranged.
  • Roller holders 48 are pivotably mounted on the linearly movable carriage 46 .
  • the inner rollers 30 are rotatably mounted on roller bearings.
  • the inner rollers 30 can be pivoted via the pivotable roller holders 48 during the flow-forming process and can be moved radially and/or axially by means of the carriage 46 and the inner support 40 .
  • the outer rollers 20 can be pivoted on an outer support (not shown) and can be moved radially and axially.
  • the outer roller 20 and the inner roller 30 are moved via a CNC controller (not shown) and actuators using stored data for forming the desired workpiece 5.
  • the casing area 7 of the workpiece 5 can be formed into a rim well with a hump 8 which represents a thickening in the course of the wall thickness of the casing area 7 .
  • the finally shaped jacket area 7 is lengthened compared to the jacket area 7 of the starting workpiece 5 and thinned in terms of wall thickness. Almost any outer contour as well as an inner contour can be produced with the device 10 according to the invention.
  • the second embodiment according to Figures 3 and 4 essentially corresponds to the structure of the first device 10 according to the invention according to FIG figures 1 and 2 .
  • a modified inner roller 30 is provided with an annular radial projection 32 and an abutment section 34 adjacent in the front area.
  • the radially protruding radial projection 32 on the inner roller 30 can be used to form an inner contour along the inside of a jacket region 7 of the workpiece 5 in interaction with the outer roller 20 acting radially on the outside.
  • the front abutment section 34 can be used to form a rim flange at the free end of the formed rim base, as illustrated in FIG 4 is shown.
  • the abutment section 34 can in particular be designed as a negative shape of the inner contour of the rim flange and for absorbing the forming forces of the outer roller 20 .
  • different outer rollers 20 with an adapted outer contour can be placed on the jacket area 7 .
  • an outer roller 20 can have an outer contour corresponding to the desired shape of the rim flange to be formed.
  • an axially movable counter-holder 18 is also provided on the radial outside.
  • the counter-holder 18 can be pressed axially against the hub area 6 of the workpiece 5 in the central free space of the drum-shaped jacket area 7 .
  • the counter-holder 18 can have a plate-shaped contact element 19 which is adapted to a contouring of the hub area 6 of the workpiece 5 .
  • workpieces 5 with a large variety of shapes of a wall area 7 can be formed without any conversion measures.
  • this process enables multiple, gradual flow-forming until the final end geometry or complete structural change has been achieved.
  • the wheels can be heat treated immediately after the flow-forming process.
  • the process can also be used for the cold forming of forged aluminum wheels and steel wheels.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drückwalzen, eines Fahrzeugrades, wobei ein Werkstück mittels einer Spindel in Rotation um eine Rotationsachse versetzt und mindestens eine Außenrolle mittels eines Außensupports an einer Außenseite des Werkstücks zugestellt wird, wobei unter Materialverdünnung ein sich axial erstreckender Mantelbereich des Werkstücks geformt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Drückwalzen mit einer Spindel, welche über einen Antrieb rotierend um eine Rotationsachse antreibbar und zum Halten eines Werkstücks ausgebildet ist, mindestens einer Außenrolle, welche an einem Außensupport drehbar gelagert ist, welcher zum Zustellen an das Werkstück axial und radial relativ zu der Rotationsachse verfahrbar ist, und mindestens einer Innenrolle, welche an eine Innenseite des Werkstücks gegenüberliegend zu der Außenrolle zustellbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Insbesondere bei Fahrzeugrädern, vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial, werden diese gegen ein mittiges Drückfutter drückgewalzt. Das Drückfutter, auch Drückwerkzeug genannt, stellt dabei die Negativform der Innengeometrie der Felge eines Fahrzeugrades dar. Eine Veränderung der Felge bedingt dabei üblicherweise auch eine Änderung des Drückfutters, was kostenaufwändig ist. Ein Herstellen von Fahrzeugrädern oder sonstigen Drückteilen mit einer Innenkontur ist daher häufig nur für hohe Stückzahlen wirtschaftlich. Ein solches gattungsgemäßes Verfahren mit einem Drückfutter ist aus der DE 10 2011 117 034 A1 bekannt. Neben Außenumformrollen sind zum Begrenzen eines axialen Materialflusses axiale Begrenzungsrollen vorgesehen.
  • Ein Verfahren zum Drückwalzen mit einer erhöhten Flexibilität in der Formgebung ist aus der EP 2 210 682 B1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird als Drückfutter ein variabler Drückdorn mit einer konischen Außenkontur vorgesehen. Der Drückdorn ist konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet. Durch ein axiales Verstellen des Drückdornes kann ein variabler Innendurchmesser an der jeweiligen Umformzone bereitgestellt werden. Dieses Verfahren ist auf bestimmte Innenkonturen jedoch beschränkt.
  • Aus der DE 35 45 506 A1 ist ein Werkzeug zum Drückwalzen von hohlzylindrischen Werkstücken bekannt. Gleichzeitig zur Zustellung von Außenrollen an einer Außenkontur des Rohrwerkstücks werden mit einem inneren Rollenträger Innenrollen an eine Außenkontur zugestellt. Zwischen der Außenrolle und der Innenrolle ist ein fester Abstand vorgegeben, welcher den Umfang eines Abstreckdrückwalzens und der zu bildenden Wanddicke des rohrförmigen Werkstücks vorgibt.
  • Ein ähnliches Verfahren ist aus der US 3,287,951 bekannt. Dabei sind eine Außenrolle und eine zugeordnete Innenrolle an einem gemeinsamen Rollenträger angeordnet. Die Außenrolle ist über einen mechanischen Stellmechanismus einstellbar, so dass der Abstand zwischen der Innenrolle und der Außenrolle zu Beginn des Umformverfahrens eingestellt werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drückwalzen anzugeben, mit welchen eine besonders hohe Formenvielfalt an Fahrzeugrädern flexibel und effizient erzeugt werden können.
  • Die Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Innenrolle an eine Innenseite des Werkstücks mittels eines Innensupports zugestellt wird, welche unabhängig von dem Außensupport axial und radial zu der Rotationsachse verfahrbar ist, und dass mittels einer CNC-Steuerung der Innensupport mit der Innenrolle und der Außensupport mit der Außenrolle individuell verfahren werden, wobeian dem Mantelbereich ein definierter Wanddickenverlauf mit unterschiedlichen Wanddicken zwischen der mindestens einen Außenrolle und der mindestens einen Innenrolle gebildet wird.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, von einem vorgegebenen Drückwerkzeug, welches eine Negativform einer Innenkontur des Werkstücks vorgibt, abzugehen und zum Formen der Innenkontur mindestens eine Innenrolle vorzusehen. Dabei wird die Innenrolle nicht geradlinig parallel zur Außenrolle verfahren, sondern die Innenrolle ist an einem Innensupport gelagert, welcher unabhängig von dem Außensupport axial und radial zur Rotationsachse verfahrbar ist. Es kann so eine nahezu unbegrenzte Formenvielfalt ohne Umbau eines Drückwerkzeuges erzeugt werden.
  • Weiter ist nach der Erfindung eine CNC-Steuerung vorgesehen sowie vorzugsweise zusätzlich eine Programmier-Unterstützungssoftware, welche insbesondere offline auf einem PC eingesetzt wird. Mit der Steuerung sind der Innensupport mit der Innenrolle und der Außensupport mit der Außenrolle unabhängig voneinander verfahrbar. Es kann so an der Innenseite und der Außenseite des Werkstücks ein freier Konturenverlauf eingestellt werden. Weiterhin kann durch eine Relativverstellung der Außenrolle zu der zugeordneten Innenrolle der wirksame Formgebungsspalt und damit ein Wanddickenverlauf in dem zu formenden axialen Mantelbereich des Werkstücks mit hoher Formgebungsfreiheit ausgebildet werden. Dabei ist der Begriff Drückwalzen im Sinne der Erfindung breit zu verstehen und umfasst nicht nur ein Umformen mit einer Wanddickenveränderung sondern auch ein Drücken bei gleich bleibender Wanddicke.
  • Mit dem Verfahren lassen sich in effizienter Weise Werkstücke selbst in kleinen Stückzahlen oder sogar einzelne Werkstücke herstellen, da eine aufwändige Herstellung eines starren Drückdorns nicht notwendig ist. Vielmehr wird die Kontur durch eine entsprechende Steuerung der Rollen zueinander frei eingestellt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Innenrolle und die mindestens eine zugeordnete Außenrolle zum Ausformen des Mantelbereichs radial und axial zueinander verfahren werden. Hierdurch lassen sich ein individueller Verlauf der Innenkontur und Außenkontur sowie ein dazwischen angeordneter Wanddickenverlauf nahezu beliebig einstellen. Die Wanddicke wird dabei nach einer Erkenntnis der Erfindung nicht nur durch einen radialen Abstand der Innenrolle zu der Außenrolle bestimmt. Insbesondere bei einem Abstreckdrückwalzen, bei welchem der Mantelbereich gegenüber einer ursprünglichen Ausgangsdicke verringert wird, kann die Innenrolle oder die Außenrolle der jeweils anderen Rolle axial gezielt voraus- oder nacheilen. Hierdurch wird auch in einer axialen Richtung eine Widerlagerfunktion geschaffen, welche für ein formgenaues Abstrecken wesentlich sein kann.
  • Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Werkstück an der Spindel eingespannt wird, wobei ein Freiraum in einem Mittenbereich radial innerhalb des Mantelbereichs verbleibt. Dieser Mantelbereich ist dabei so groß gestaltet, dass zumindest eine Innenrolle an eine Innenkontur des Mantelbereichs zustellbar ist. Vorzugsweise wird hierzu das Werkstück einseitig an der Spindel eingespannt, etwa mittels eines Drei- oder Mehrbacken-Spannfutters. Andere Spannmechanismen lassen sich verwenden, etwa auch mit einem axialen Spannelement oder Gegenhalteelement, welches an oder durch eine Mittenöffnung an einem Nabenbereich des Werkstücks angesetzt wird.
  • Weiter ist es erfindungsgemäß, dass ein Spannen des Werkstücks an einem Teilbereich des Außenumfangs erfolgt. Hierbei kann das Werkstück von außen über entsprechende Spannbacken zentriert an der Spindel gehalten werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Werkstück vor dem Drückwalzen mit einer Spann- und/oder Zentrierhilfe versehen wird. Bei dem eingesetzten Spannfutter ist in bevorzugter Weise eine Zentrierung zum Zentrieren des Werkstücks beim Spannvorgang vorgesehen. Dazu kann an dem Werkstück eine entsprechende Zentrierhilfe mitangebracht sein, welche insbesondere bei Gussrädern mitangegossen ist. Diese kann etwa derart, beispielsweise mittels Vorsprüngen oder Anschlagkanten, ausgeführt sein, dass diese die Drehmomentübertragung vom Spannfutter auf das Werkstück unterstützen.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass die Spann- und/oder Zentrierhilfe nach dem Drückwalzen von dem Werkstück entfernt wird. Dies kann insbesondere durch eine einfache spanabhebende Bearbeitung erfolgen. Dies kann auch mit einer separaten Maschine, etwa einer Drehmaschine, oder der Drückwalzvorrichtung selbst mit einem spanabhebenden Zusatzwerkzeug erfolgen.
  • Für ein besonders schonendes Einspannen ist es nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass eine Innenspanneinrichtung vorgesehen wird, durch welche ein Nabenbereich des Werkstücks abgedeckt wird. Denn vorzugsweise beginnt die Umformung des Rades in unmittelbarer Nähe zu einem radial verlaufenden Nabenbereich des Werkstücks. Diese können bei bestimmten Fahrzeugfelgen ein Stern oder Felgenspeichen sein. Die Spanneinrichtung weist dabei eine relativ großflächige tellerartige Spannfläche auf, durch welche der besonders gestaltete und vorgeformte Nabenbereich abgedeckt und geschützt wird.
  • Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Bilden eines beliebigen Werkstücks mit einem axial verlaufenden, rohrförmigen Mantelbereich verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass der Mantelbereich als ein Felgenbett eines Fahrzeugrades mit mindestens einem Hump ausgebildet wird, welcher als eine Verdickung in dem Wanddickenverlauf gebildet wird. Weiter bevorzugt ist das Umformen einer gegossenen Vormfom zu einem Felgenrohling, der anschließend zum fertigen Rad weiterbearbeitet wird, insbesondere durch spanabhenbende Bearbeitung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so ein weitgehend gewichtsoptimiertes Fahrzeugrad hergestellt werden, bei welchem der Wanddickenverlauf des Felgenbettes an die tatsächliche Belastung des Fahrzeugrades im Betrieb angepasst ist. Dabei werden Bereiche mit geringer Belastung mit einer geringen Wanddicke ausgebildet, während stark belastete Bereiche mit einer entsprechend großen Wandverdickung ausgeformt werden. Zusätzlich kann ein Hump, also ein Wulst zur Fixierung des Reifens an dem Felgenbett, ebenfalls in einfacher Weise durch eine Wandverdickung entlang des Felgenbettes ausgebildet werden. Der Hump stellt dabei eine radial nach außen vorragende ringförmige Erhöhung an dem Felgenbett dar.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass zum Bilden eines Humps und/oder Hornbereichs die Innenrolle und die Außenrolle gleichzeitig relativ zueinander in radialer und axialer Richtung verfahren werden. In entsprechender Weise können auch die seitlichen Felgenhörner ausgeformt werden. Zum Formen der Felgenhörner können auch weitere und andere Innenrollen mit einer geänderten und angepassten Außenkontur zum Einsatz kommen. Entsprechendes gilt für die Verwendung konturierter Außenrollen zum Bilden der Felgenhörner. Durch die frei programmierbaren Innen- und Außenrollen wird zudem ein schrittweises Umformen der Felgenkontur möglich, so dass gezielt in bestimmten Bereichen der Felge höhere Kaltverfestigungen und/oder Gefügeveränderungen herbeigeführt werden. Hierdurch sind Stabilitätssteigerungen und/oder Gewichtsreduzierungen an dem Werkstück möglich.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Drückwalzen ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Innenrolle an einem Innensupport drehbar gelagert ist, welche unabhängig zu dem Außensupport axial und radial zu der Rotationsachse verfahrbar gelagert ist, und dass eine CNC-Steuerung zum individuellen Verfahren des mindestens einen Innensupports mit der Innenrolle und des mindestens einen Außensupports mit der Außenrolle vorgesehen ist, wobei zwischen der Innenrolle und der Außenrolle ein Wanddickenverlauf des Werkstücks einstellbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingesetzt werden. Es können dabei die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass mehrere Innenrollen und Außenrollen vorgesehen sind, wobei jeweils eine Innenrolle einer Außenrolle zugeordnet ist. Vorzugsweise sind dabei mehrere Innenrollen, vorzugsweise drei Innenrollen, an einem gemeinsamen Rollenträger angeordnet. Gegenüber diesem gemeinsamen Rollenträger oder Innensupport können die einzelnen Innenrollen schwenkbar relativ zur Drehachse verstellbar sein. Hierdurch kann eine gezielte Ausformung der verschiedenen Konturbereiche des Werkstückes erzielt werden. Je nach Anwendung können bei einer weiteren bevorzugten Ausführung separat axial und/oder radial zueinander verstellbare Innenrollen oder Innensupporte vorgesehen sein.
  • Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bevorzugt, dass an der Spindel eine Spanneinrichtung zum Spannen des Werkstücks angeordnet ist, wobei ein Freiraum in einen Mittenbereich radial innerhalb des Mantelbereichs des Werkstücks verbleibt. In diesem Freiraum ist der mindestens eine Innensupport einfahrbar, so dass eine Innenkontur des Mantelbereichs des Werkstücks durch die mindestens eine Innenrolle ausgeformt werden kann.
  • Für eine hocheffiziente Fertigung ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass eine Steuereinrichtung mit einem Datenspeicher vorgesehen ist, in welchem für verschiedene Werkstückformen Datensätze zum Verfahren der Innenrolle und der Außenrolle hinterlegt sind. Auf diese Weise kann von einem Maschinenbediener der jeweils gewünschte Datensatz für eine bestimmte Werkstückgestaltung aufgerufen werden. Ohne einen aufwändigen Umbau können so effizient verschiedene Werkstücke auf einer Drückwalzvorrichtung hergestellt werden. Die Vorrichtung mit der Steuereinrichtung ist über eine Datenfernverbindung, insbesondere einem Internetanschluss, versehen. Auf diese Weise können neue oder aktualisierte Datensätze zu bestehenden oder neuen Werkstücken in den Datenspeicher der Maschine übertragen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so für einen hochflexiblen Einsatz bei Projekten der Industrie 4.0 vorsehbar.
  • Weiterhin ist eine besonders gute Konturierung nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichbar, dass mindestens eine der Rollen mit einem Hilfsantrieb zum drehenden Antreiben der Rolle versehen ist. Dabei können sowohl die Innenrollen als auch die Außenrollen mit einem jeweiligen Rollenantrieb versehen sein. Hierdurch können die Innen- und/oder die Außenrollen beschleunigt werden, bevor sie mit dem umzuformenden Werkstoff des rotierenden Werkstücks in Berührung kommen. Hierdurch wird einem Aufbacken auf den Rollen und/oder einem erhöhten Verschleiß der Rollen entgegengewirkt. Der Rollenantrieb ist in einer bevorzugten Ausführung mit einer Freilauf- oder Drehzahlregeleinrichtung ausgeführt, die eine automatische Anpassung der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle zum Bauteil ermöglicht.
  • Zum Ausstoßen aus der Spanneinrichtung kann ein Auswerfer, insbesondere ein axial verstellbarer Auswerfer, zum Einsatz kommen. Das Auswerfen ist vorzugsweise als eine gesteuerte Bewegung ausgeführt. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Drückwalzen als vertikale Maschine mit hängender oder alternativ stehender Spindel ausgeführt, so dass die Werkstückzentrierung erleichtert wird. Bei der Ausführung mit vertikal hängender Spindel kann der Gegenhalter der Spanneinrichtung auch die Funktion der Be- und Entladung übernehmen.
  • Die Innen- und/oder Außensupporte sind vorzugsweise als unabhängig steuerbare Supporte ausgeführt, die lediglich elektrisch synchronisiert werden. Die Außenrolle wird vorzugsweise in einem Winkel von 0 bis 15° zur Rotationsachse angestellt, während die Innenrollen vorzugsweise von 0 bis 45° angestellt werden und über einen vorzugsweise deutlich größeren Rollenradius an der Umformung mitwirken. Die Zustellung der Außen- und Innenrollen erfolgt vorzugsweise über zwei linear arbeitende Kreuzsupporte. Alternativ kann der Einsatz von mindestens zwei Innenrollen auf den Kreuzsupport verzichtet werden, indem die Rollen über Keilschieber gleichzeitig verschoben oder angestellt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1:
    eine Teilquerschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Formen eines Fahrzeugrades in einem Anfangsstadium;
    Fig.2:
    eine Teilquerschnittsansicht der Vorrichtung von Fig. 1 beim Herstellen eines Fahrzeugrades in einem Endstadium;
    Fig. 3:
    eine Teilquerschnittsansicht einer weiteren Vorrichtung beim Herstellen eines Fahrzeugrades in einem Anfangsstadium und
    Fig. 4:
    eine Teilquerschnittsansicht der Vorrichtung von Fig. 3 beim Herstellen eines Fahrzeugrades in einem Endstadium.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Drückwalzen gemäß Fig. 1 weist eine drehend über einen nicht dargestellten Antrieb angetriebene Spindel 12 auf. Die Spindel 12 dreht um eine mittige Rotationsachse 13, welche in dem ausgeführten Darstellungsbeispiel horizontal verläuft. In gleicher Weise kann die Spindel 12 mit der Rotationsachse 13 vertikal gerichtet sein, wobei ein Werkstück 5 dann auf der Spindel 12 aufliegt oder bei einer hängenden Spindelanordnung an einer oben liegenden Spindel 12 gespannt wird.
  • Über eine an der Spindel 12 angebrachte plattenförmige Spanneinrichtung 14 mit axial wirkenden Spannklauen 16 kann ein Werkstück 5 lösbar und drehfest sowie zentrisch zur Rotationsachse 13 mit der Spindel 12 verbunden werden. Das Werkstück 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vorform eines Fahrzeugrades. Die Vorform ist vorzugsweise durch Gießen oder Schmieden aus einem Metallwerkstoff gefertigt. Das rotationssymmetrische Werkstück 5 weist einen im Wesentlichen radial verlaufenden Nabenbereich 6 mit einer Mittenöffnung 4 und einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden trommelförmigen Mantelbereich 7 auf. Mit den Spannklauen 16 wird das Werkstück 5 einseitig an seinem Außenumfang an der Spindel 12 befestigt.
  • Nach dem Einspannen wird die Spindel 12 mit dem Werkstück 5 in Rotation versetzt. Vorzugsweise drei Außenrollen 20, von denen nur eine Außenrolle 20 dargestellt ist, werden mittels nicht dargestellten Außensupporten radial an die Außenseite des Mantelbereichs 7 des Werkstücks 5 zugestellt. Gleichzeitig wird ein Innensupport 40 mit drei um 120° versetzt zueinander angeordneten Innenrollen 30 in einen mittigen Freiraum innerhalb des trommelförmigen Mantelbereichs 7 zugestellt. Dabei werden die Innenrollen 30 zunächst angrenzend an den radialen Nabenbereich 6 an eine Innenseite des Mantelbereichs 7 angelegt.
  • Der Innensupport 40 weist einen zentrischen und konischen Mittenträger 42 auf, an dessen Außenseite Linearführungen 44 für Schlitten 46 angeordnet sind. An den linear verfahrbaren Schlitten 46 sind Rollenhalter 48 verschwenkbar gelagert. In den topfartigen Rollenhaltern 48 sind die Innenrollen 30 über Wälzlager drehend gelagert. Die Innenrollen 30 können über die schwenkbaren Rollenhalter 48 während des Drückwalzvorganges verschwenkt werden sowie radial und/oder axial mittels des Schlittens 46 und des Innensupports 40 verfahren werden. In entsprechender Weise können die Außenrollen 20 an einem nicht dargestellten Außensupport verschwenkbar sowie radial und axial verfahrbar gelagert sein.
  • Das Verfahren der Außenrolle 20 und der Innenrolle 30 erfolgt über eine nicht dargestellte CNC-Steuerung und Stellantriebe, anhand abgespeicherter Daten zum Formen des gewünschten Werkstücks 5. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, kann der Mantelbereich 7 des Werkstücks 5 zu einem Felgenbett mit einem Hump 8 geformt werden, welcher eine Verdickung im Wanddickenverlauf des Mantelbereichs 7 darstellt. Der endgeformte Mantelbereich 7 ist gegenüber dem Mantelbereich 7 des Ausgangswerkstücks 5 gelängt und hinsichtlich der Wanddicke verdünnt. Es kann eine nahezu beliebige Außenkontur sowie eine Innenkontur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erzeugt werden.
  • Die zweite Ausführungsform gemäß den Figuren 3 und 4 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2.
  • Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 3 eine geänderte Innenrolle 30 mit einem ringförmigen Radialvorsprung 32 und einem im vorderen Bereich angrenzenden Widerlagerabschnitt 34 vorgesehen. Der radial vorstehende Radialvorsprung 32 an der Innenrolle 30 kann zum Ausformen einer Innenkontur entlang der Innenseite eines Mantelbereichs 7 des Werkstücks 5 im Zusammenspiel mit der radial außen angreifenden Außenrolle 20 dienen. Der vordere Widerlagerabschnitt 34 kann zum Ausbilden eines Felgenhorns am freien Ende des ausgeformten Felgenbettes eingesetzt werden, wie anschaulich in Fig. 4 dargestellt ist. Der Widerlagerabschnitt 34 kann dabei insbesondere eine Negativform der inneren Kontur des Felgenhorns und zum Aufnehmen der Umformkräfte der Außenrolle 20 ausgebildet sein. In entsprechender Weise können unterschiedliche Außenrollen 20 mit einer angepassten Außenkontur an dem Mantelbereich 7 zugestellt werden. Insbesondere kann eine Außenrolle 20 eine Außenkontur entsprechend der gewünschten Formgebung des auszuformenden Felgenhornes aufweisen.
  • Zusätzlich ist bei der zweiten Ausführungsform gemäß den Figuren 3 und 4 zum Spannen des Werkstücks 5 neben der bereits zuvor beschriebenen Spanneinrichtung 14 mit axial verfahrbaren Spannklauen 16 zum Spannen des Werkstücks 5 an der radialen Außenseite auch ein axial verfahrbarer Gegenhalter 18 vorgesehen. Insbesondere nach einer anfänglichen Konturierung des Mantelbereichs 7 kann der Gegenhalter 18 in den mittigen Freiraum des trommelförmigen Mantelbereichs 7 axial gegen den Nabenbereich 6 des Werkstücks 5 gedrückt werden. Hierdurch kann eine zusätzliche axiale Einspannung und Zentrierung des Werkstücks zumindest während eines Endstadiums des Drückwalzprozesses erfolgen. Der Gegenhalter 18 kann ein tellerförmiges Anlageelement 19 aufweisen, welcher an eine Konturierung des Nabenbereichs 6 des Werkstücks 5 angepasst ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 sowie dem darauf durchführbaren Verfahren können Werkstücke 5 mit einer großen Formenvielfalt eines Wandbereichs 7 ohne Umbaumaßnahmen gebildet werden.
  • Diese Verfahren ermöglicht erstmals das mehrmalige, stufenweise Drückwalzen, bis die finale Endgeometrie bzw. vollständige Gefügeveränderung erzielt wurde.
  • Bevorzugt Drückwalzen von Gussrädern bei Temperaturen bis zum 400 °C. Wärmebehandlungen der Räder können sich unmittelbar an den Drückwalzvorgang anschließen.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren auch für die Kaltumformung von Aluminiumschmiederäder, als auch für Stahlräder eingesetzt werden.
  • Auch der Einsatz einer speziellen Programmieroberfläche oder der Einsatz einer Offline-Programmierunterstützungssoftware ist bevorzugt, um die komplexen Programme einfache und schneller erstellen zu können, sowie diese vor Einsatz durch Simulation zu überprüfen und zu optimieren.
  • Alternativ ist auch eine Kombination aus flexiblen Innenrollen mit einem partiell wirkenden kurzem Dorn möglich.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Drückwalzen eines Fahrzeugrades,
    wobei ein Werkstück (5) mittels einer Spindel (12) in Rotation um eine Rotationsachse (13) versetzt und mindestens eine Außenrolle (20) mittels eines Außensupports an einer Außenseite des Werkstücks (5) zugestellt wird,
    wobei unter Materialverdünnung ein sich axial erstreckender Mantelbereich (7) des Werkstücks (5) geformt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Spannen des Werkstücks (5) an einem Teilbereich des Außenumfangs erfolgt, wobei das Werkstück (5) an der Spindel (12) eingespannt wird, wobei ein Freiraum in einem Mittenbereich radial innerhalb des Mantelbereichs (7) verbleibt,
    dass mindestens eine Innenrolle (30) in den Freiraum und an eine Innenseite des Werkstücks (5) mittels eines Innensupports (40) zugestellt wird, welcher unabhängig von dem Außensupport axial und radial zu der Rotationsachse (13) verfahrbar ist, und
    dass mittels einer CNC-Steuerung der Innensupport (40) mit der Innenrolle (30) und der Außensupport mit der Außenrolle (20) individuell verfahren werden, wobei an dem Mantelbereich (7) ein definierter Wanddickenverlauf mit unterschiedlichen Wanddicken zwischen der mindestens einen Außenrolle (20) und der mindestens einen Innenrolle (30) gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mindestens eine Innenrolle (30) und die mindestens eine zugeordnete Außenrolle (20) zum Ausformen des Mantelbereichs (7) radial und axial zueinander verfahren werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Werkstück (5) vor dem Drückwalzen mit einer Spann- und/oder Zentrierhilfe versehen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Spann- und/oder Zentrierhilfe nach dem Drückwalzen von dem Werkstück (5) entfernt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Innenspanneinrichtung (14) vorgesehen wird, durch welche ein Nabenbereich (6) des Werkstücks (5) abgedeckt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mantelbereich (7) als ein Felgenbett des Fahrzeugrades mit mindestens einem Hump (8) ausgebildet wird, welcher als eine Verdickung in dem Wanddickenverlauf gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Bilden eines Humps (8) und/oder Hornbereichs die Innenrolle (30) und die Außenrolle (20) gleichzeitig relativ zueinander in radialer und in axialer Richtung verfahren werden.
  8. Vorrichtung zum Drückwalzen eines Fahrzeugrades nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit
    - einer Spindel (12), welche über einen Antrieb rotierend um eine Rotationsachse (13) antreibbar und zum Halten eines Werkstücks (5) ausgebildet ist,
    - mindestens einer Außenrolle (20), welche an einem Außensupport drehbar gelagert ist, welcher zum Zustellen an das Werkstück (5) axial und radial relativ zu der Rotationsachse (13) verfahrbar ist, und
    - mindestens einer Innenrolle (30), welche an eine Innenseite des Werkstücks (5) gegenüberliegend zu der Außenrolle (20) zustellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Spindel (12) eine Spanneinrichtung (14) zum Spannen des Werkstücks (5) an einem Teilbereich des Außenumfangs angeordnet ist, wobei ein Freiraum in einem Mittenbereich radial innerhalb des Mantelbereichs (7) des Werkstücks (5) verbleibt,
    dass die mindestens eine Innenrolle (30) an einem Innensupport (40) drehbar gelagert ist, welcher unabhängig zu dem Außensupport axial und radial zu der Rotationsachse (13) verfahrbar gelagert ist, und
    dass eine CNC-Steuerung zum individuellen Verfahren des mindestens einen Innensupports (40) mit der Innenrolle (30) und des mindestens einen Außensupports mit der Außenrolle (20) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Innenrollen (30) und Außenrollen (20) vorgesehen sind, wobei jeweils eine Innenrolle (30) einer Außenrolle (20) zugeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Steuereinrichtung mit einem Datenspeicher vorgesehen ist, in welchem für verschiedene Werkstückformen Datensätze zum Verfahren der Innenrolle (30) und der Außenrolle (20) hinterlegt sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine der Rollen (20, 30) mit einem Hilfsantrieb zum drehenden Antreiben der Rolle (20, 30) versehen ist.
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