WO1999003618A1 - Vorrichtung und verfahren zum einformen einer rillenstruktur in ein rohrförmiges werkstück - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum einformen einer rillenstruktur in ein rohrförmiges werkstück Download PDF

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pressure rollers
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Bernd Stein
Karl-Heinz Pütz
Heinz Steinhauer
Wilhelm Zimmermann
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Dynamit Nobel Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
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    • B21C37/207—Making helical or similar guides in or on tubes without removing material, e.g. by drawing same over mandrels, by pushing same through dies ; Making tubes with angled walls, ribbed tubes and tubes with decorated walls with helical guides
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    • B21H7/18—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons grooved pins; Rolling grooves, e.g. oil grooves, in articles
    • B21H7/187—Rolling helical or rectilinear grooves

Definitions

  • the invention relates to a pressure-rolling device and a method for forming a groove structure, such as a thread or a toothing, into the inner surface of a tubular workpiece.
  • the workpiece is placed on a cylindrical molding tool provided with a thread or a toothing, while several pressure rollers run around the outside of the molding tool and the workpiece, thus pressing the workpiece into the contour of the molding tool and stretching it under a feed.
  • a flow forming process of the metal takes place between the molding tool and the pressure rollers, the original wall thickness of the workpiece being reduced and the length being increased.
  • DE-OS 24 20 014 describes a so-called ironing press method.
  • a workpiece located on a tool mandrel is pressed by at least three pressure rollers rotating around the workpiece and subject to an axial feed against the molding tool, which has an external thread or toothing, so that an internal thread or toothing is formed in the workpiece.
  • the driven pressure rollers are located in a radial plane of the molding tool, ie the three identical pressure rollers act on the same peripheral area of the workpiece. Since the molding tool is rotated relative to the pressure rollers, a relatively large torsional force acts on the workpiece, which leads to twisting of the workpiece during the plastic deformation by the pressure rollers. The torsion of the workpiece results in a loading 'stung the forming structure of the mold, whereby the life of the mold considerably reduced becomes. Under certain circumstances, the shape structure may shear.
  • the invention has for its object to improve the production of tubular workpieces with an inner groove structure in such a way that the torsion of the workpiece and thus the load on the mold is significantly reduced.
  • the last pressure roller of at least 30 °, in particular of the inlet angle is about 50% greater than that of the first pressure roller.
  • Fig. 2 is a rear view according to the arrow II in Figure 1
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through the pressure rolling device.
  • the pressure rolling device 1 shown in FIG. 1 has a cylindrical molding tool 2, on the outer surface of which a helical groove structure 3 is applied.
  • the molding tool 2 consists of hardened steel or hard metal.
  • Three pressure rollers 4, 5, 6 run around the molding tool 2.
  • the pressure rollers 4, 5, 6 are slightly axially spaced from one another, so that the first pressure roller 4 in the feed direction first hits a workpiece 7 located on the molding tool 2.
  • the pressure rollers 4,5,6 are each about 0.1 to 5 mm apart, which in contrast to a roller width of e.g. 70 to 80 mm is slight. Offset does not mean that the rollers have a distance between them, but that e.g. the respective points of attack of the pressure rollers 4,5,6 are offset by 0.1 to 5 mm ⁇ i.e. that the orbits of the pressure rollers 4,5,6 overlap.
  • the workpiece 7 is hollow cylindrical in the unprocessed initial state and is placed on the end of the molding tool 2, its inside diameter being dimensioned such that it rests on the raised groove structures 3.
  • the molding tool 2 rotates, taking the workpiece 7 fastened to it, and the pressure rollers 4, 5, 6, which are fastened to a feed slide (not shown here), are subject to feed in the axial direction.
  • the pressure rollers 4, 5, 6 are pressed radially against the workpiece 7 so that it is plastically deformed.
  • the pressure rollers 4,5,6 are pivoted into the plane of the drawing for better illustration.
  • the actual arrangement is shown in FIG. 2.
  • the three pressure rollers 4, 5, 6 are circumferentially equidistant, ie there is a circumferential angle of 120 ° between them.
  • the pressure rollers 4, 5, 6 are rotatably mounted, the three pressure rollers 4, 5, 6 being driven in the same direction with the molding tool 2 (in FIG. 2 counterclockwise). This leads to the fact that under the contact pressure e.g. the pressure roller 4 material of the workpiece 7, which has become plastic, is to a certain extent slowed down between the pressure roller 4 and the molding tool 2 and is thereby better pressed into the roller structure 3.
  • the first pressure roller 4 first comes into contact with the workpiece 7. It lies against the workpiece 7 with a conical pressing surface 8. By axial feed, the wall thickness of the workpiece 7 is reduced by the first pressure roller 4 by the thickness d 4 , starting from an original wall thickness S 0 .
  • the first pressure roller 4 runs on helical paths over the surface of the workpiece 7.
  • the feed and the rotational speed at which the pressure roller 4 turns the workpiece 7 are matched to one another such that the pressure roller 4 covers the entire surface of the workpiece 7.
  • the Inlet angle ⁇ 4 of the first pressure roller 4 lies in an angular range from 5 to 30 ° and is preferably 20 °.
  • the entry angle is the angle between the pressing surface 8 and the outer surface of the workpiece 7.
  • the pressing surface 9 of the second pressure roller 5 has the same geometry.
  • the pressing surface 10 of the third pressure roller 6 runs at an entry angle o 6 that is greater than the entry angle or 4 ( C- 5 of the first pressure rollers 4, 5 ).
  • the entry angle 6 is in the range from 10 ° to 40 ° and is preferably 30 ° .
  • a contact area 11 adjoins the pressing surface 10 and merges into an outlet surface 12 of the pressure roller 6.
  • the first and second spinning rollers 4, 5 also each have a transition region with the radii R 4 and R 5 , where these radii correspond to the radius R 6 .
  • the run-out surfaces run at a run-out angle ß u ßs i ßs with respect to the outer wall of the workpiece 7.
  • the run-out angles ß of the pressure rollers 4, 5, 6 are of the same size and lie in an angular range from 0 ° to 15 °, preferably 3 ° to 5 °.
  • the offset w4, w5, w6, that is to say the respective axial distance between the pressure rollers 4, 5, 6 is in each case 0.1 to 5 mm.
  • the pressure rollers 4, 5, 6 have a different radial distance from the forming tool 2 or from the workpiece 7.
  • the first pressure roller 4 has the greatest distance since it processes the workpiece 7 first.
  • the original wall thickness S 0 of the workpiece 7 is reduced by the amount d 4 .
  • the input end of the pressing surface 9 of the second pressure roller 5 now engages.
  • the wall thickness is reduced by the amount d 5 through the pressing surface 9 of the second pressure roller 5.
  • the last pressure roller 6 reduces the wall thickness by the amount d 6 until the desired target wall thickness S 1 of the workpiece 7 is reached.
  • the wall thickness of the workpiece 7 is thus reduced from the original wall thickness S 0 to the target wall thickness S- L .
  • the reduction in wall thickness d is composed of the individual reductions d 4 , d 5 , d 6 , each individual reduction being 0.2 to 0.4 times the total reduction d.
  • the shape of the inner groove structure also runs in sections. At the beginning of the press-rolling operation, the workpiece 7 rests on the raised groove structure 3 of the molding tool 2 ′′ .
  • the wall thickness S 0 of the workpiece 7 corresponds to the following formula:
  • S x is the end wall thickness and m is the tooth module of the molding tool 2, which corresponds to the flank spacing of two adjacent grooves divided by ⁇ .
  • the first pressure roller 4 presses the material of the workpiece 7 somewhat into the groove structure 3 of the molding tool 2.
  • the pressure roller 5 presses the material further into the groove structure 3, while the last pressure roller 6 completely fills the groove structure 3 with the material of the workpiece 7 and sets the desired target wall elements S x .

Landscapes

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

Abstract

Eine Drückwalzvorrichtung (1) zum Einformen einer Rillenstruktur innerhalb eines rohrförmigen Werkstückes (7) hat mehrere um ein Formwerkzeug (2) umlaufende Drückrollen (4, 5, 6), die axial zueinander versetzt sind und von denen mindestens zwei Drückrollen (4, 5) gegensinnig zueinander angetrieben werden. Durch diese Anordnung kann eine Torsion des Werkstückes weitgehend vermieden werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Einformen einer Rillenstruktur in ein rohrförmiges Werkstück
Die Erfindung betrifft eine Drückwalzvorrichtung und ein Verfahren zum Einfόrmen einer Rillenstruktur, wie zum Beispiel einem Gewinde oder einer Verzahnung, in die Innenfläche eines rohrförmigen Werkstückes.
Zur Herstellung von Rohren mit Innenverzahnungen oder Innengewinden sind Vorrichtungen bekannt, die ein rundes Formwerkzeug mit einer Außenverzahnung aufweisen, auf das ein rohrförmiges Werkstück aufgeschoben wird. Mit einem Drückwerkzeug wird von außen Druck auf das aufgesteckte Rohr ausgeübt, so daß sich in seinem Inneren ein dem Formwerkzeug entsprechendes Innengewinde formt . Das Drückwerkzeug wird in Längsrichtung des Rohres mit einem Vorschub verfahren, so daß auf jeden Punkt der Außenfläche der gleiche Druck ausgeübt w'ird. Bei den sogenannten zylindrischen Drückverfahren werden aus einem relativ kurzen Werkstück mit dicker Wandstärke glatte zylindrische Rohre geringerer Wandstärke hergestellt . Bei diesem Vorgang wird das Werkstück einem rotierenden Fließpreßvorgang unterzogen. Das Werkstück ist auf einem mit einem Gewinde oder einer Verzahnung versehenen zylindrischen Formwerkzeug aufgesetzt, während außen mehrere Drückrollen um das Formwerkzeug und das Werkstück umherlaufen und so das Werkstück in die Kontur des Formwerkzeuges pressen und es dabei unter einem Vorschub strecken. Zwischen dem Formwerkzeug und den Drückrollen findet ein Fließverformvorgang des Metalls statt, wobei die ursprüngliche Wandstärke des Werkstückes verringert und die Länge vergrößert wird.
In der DE-OS 24 20 014 ist ein sogenanntes Abstreck- drückverfahren beschrieben. Ein auf einem Werkzeugdorn befindliches Werkstück wird von mindestens drei um das Werkstück umlaufenden und einem axialen Vorschub unterliegenden Drückrollen gegen das Formwerkzeug, das ein Außengewinde oder eine Verzahnung aufweist, gepreßt, so daß in dem Werkstück ein Innengewinde oder eine Verzahnung geformt wird. Die angetriebenen Drückrollen befinden sich in einer radialen Ebene des Formwerkzeuges, d.h. die drei identischen Drückrollen greifen auf dem gleichen Umfangsbereich des Werkstückes an. Da das Formwerkzeug relativ zu den Drückrollen gedreht wird, wirkt auf das Werkstück eine relativ große Torsions- kraft, die zu einer Tordierung des Werkstückes während der plastischen Verformung durch die Drückrollen führt . Die Torsion des Werkstückes führt zu einer Bela'stung der formgebenden Struktur des Formwerkzeuges, wodurch die Lebensdauer des Formwerkzeuges erheblich verringert wird. Unter Umständen kann es auch zu Abscherungen der Formstruktur kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von rohrförmigen Werkstücken mit einer inneren Rillenstruktur dahingehend zu verbessern, daß die Torsion des Werkstückes und damit die Belastung des Formwerkzeuges erheblich verringert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7 gelöst.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß sich die Torsion des Werkstückes fast vollständig verhindern läßt, wenn der Einlaufwinkel der zuletzt angreifenden Drückrolle größer ist als die Einlaufwinkel der vorderen Drückrollen.
Vorzugsweise ist" der E'inlaufwinkel der letzten Drückrolle mindestens 30°, insbesondere ist der Einlauf- winkel etwa 50 % größer als derjenige der ersten Drückrolle .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Drückwalzvorrichtung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 eine rückwärtige Ansicht gemäß dem Pfeil II in Figur 1, und Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Drückwalzvorrichtung.
Die in Figur 1 dargestellte Drückwalzvorrichtung 1 weist ein zylinderförmiges Formwerkzeug 2 auf, auf dessen Außenfläche eine schraubenförmige Rillenstruktur 3 aufgebracht ist. Das Formwerkzeug 2 besteht aus gehärtetem Stahl oder Hartmetall. Um das Formwerkzeug 2 laufen drei Drückrollen 4,5,6 um. Die Drückrollen 4,5,6 sind geringfügig axial zueinander beabstandet, so daß die in Vorschubrichtung erste Drückrolle 4 zuerst auf ein auf dem Formwerkzeug 2 befindliches Werkstück 7 auftrifft. Die Drückrollen 4,5,6 haben jeweils einen Abstand von etwa 0,1 bis 5 mm, was im Gegensatz zu einer Rollenbreite von z.B. 70 bis 80 mm geringfügig ist. Versatz bedeutet hierbei nicht, daß die Rollen einen Abstand zwischen sich haben, sondern daß z.B. die jeweiligen Angriffspunkte der Drückrollen 4,5,6 um 0,1 bis 5 mm versetzt sind^ d.h. daß die Umlaufbahnen der Drückrollen 4,5,6 sich überschneiden.
Das Werkstück 7 ist in unbearbeiteten Ausgangszustand hohlzylindrisch und wird auf das Ende des Formwerkzeuges 2 aufgesteckt, wobei sein Innendurchmesser derart bemessen ist, daß es auf den erhabenen Rillenstrukturen 3 aufliegt. Zur Ausformung des Werkstückes 7 rotiert das Formwerkzeug 2 unter Mitnahme des an ihm befestigten Werkstückes 7 und die Drückrollen 4,5,6, die an einem hier nicht dargestellten Vorschubschlitten befestigt sind unterliegen einem Vorschub in axialer Richtung. Die Drückrollen 4,5,6 werden radial gegen das Werkstück 7 gepreßt, so daß dieses plastisch verformt wird. In Figur 1 sind die Drückrollen 4,5,6 zur besseren Darstellung in die Zeichenebene geschwenkt. Die tatsächliche Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Die drei Drückrollen 4,5,6 sind umfangsmäßig äquidistant angeordnet, d.h. zwischen ihnen befindet sich ein Umfangswinkel von jeweils 120° .
Die Drückrollen 4,5,6 sind drehbar gelagert, wobei die drei Drückrollen 4,5,6 gleichsinnig mit dem Formwerkzeug 2 angetrieben (in Fig. 2 in Gegenuhrzeigersinn) sind. Dies führt dazu, daß das unter dem Anpreßdruck z.B. der Drückrolle 4 plastisch gewordene Material des Werkstückes 7 zwischen der Drückrolle 4 und dem Formwerkzeug 2 gewissermaßen verlangsamt wird und dadurch besser in die Rollenstruktur 3 gepreßt wird.
In Figur 3 sind die drei Drückrollen 4,5,6 zur besseren Darstellung in der Zeichenebene dargestellt. Tatsächlich sind die drei Drückrollen 4,5,6 jedoch umfangsmäßig jeweils um 120° versetzt. Zur besseren Darstellung ist der Versatz w4,w5,w6 zwischen den Drückrollen 4,5,6 größer dargestellt als er in Wirklichkeit ist.
Die erste Drückrolle 4 gerät zuerst in Kontakt mit dem Werkstück 7. Mit einer konischen Preßfläche 8 liegt sie an dem Werkstück 7 an. Durch axialen Vorschub wird die Wandstärke des Werkstückes 7 durch die erste Drückrolle 4, ausgehend von einer originalen Wandstärke S0 um die Dicke d4 reduziert. Dabei läuft die erste Drückrolle 4 auf schraubenförmigen Bahnen über die Oberfläche des Werkstückes 7. Der Vorschub und die Drehgeschwindigkeit, mit der die Drückrolle 4 das Werkstück 7 umwendet, sind so zueinander abgestimmt, daß die Drückrolle 4 die gesamte Oberfläche des Werkstückes 7 erfaßt. Der Einlaufwinkel α4 der ersten Drückrolle 4 liegt in einem Winkelbereich von 5 bis 30° und beträgt vorzugsweise 20°. Der Einlaufwinkel ist der Winkel zwischen der Preßfläche 8 und der Außenfläche des Werkstückes 7. Die Preßfläche 9 der zweiten Drückrolle 5 weist die gleiche Geometrie auf. Die Preßfläche 10 der dritten Drückrolle 6 verläuft unter einem Einlaufwinkel oι6 , der größer ist als die Einlaufwinkel or4(C-5 der ersten Drückrollen 4,5. Der Einlaufwinkel 6 liegt im Bereich von 10° bis 40° und beträgt vorzugsweise 30°.
An die Preßfläche 10 schließt sich ein Übergangsbereich 11 an, der in eine Auslauffläche 12 der Drückrolle 6 übergeht. Der Übergangsbereich 11 hat einen Radius R6, der etwa der Ausgangswandstärke S0 plus der halben Endwanddicke S1 des Werkstückes 7 entspricht (R6 = S0 + 0,5 Sx) . Auch die erste und zweite Drückrolle 4,5 weisen jeweils einen Übergangsbereich mit den Radien R4 bzw. R5 auf, wobei dfese Radien dem Radius R6 entsprechen. Die Auslaufflächen verlaufen unter einem Auslaufwinkel ßu ßs i ßs bezüglich der Außenwand des Werkstückes 7. Die Auslaufwinkel ß der Drückrollen 4,5,6 sind gleich groß und liegen in einem Winkelbereich von 0° bis 15°, vorzugsweise 3° bis 5°.
Der Versatz w4,w5,w6, also der jeweilige axiale Abstand zwischen den Drückrollen 4,5,6 beträgt jeweils 0,1 bis 5 mm.
Die Drückrollen 4,5,6 haben einen unterschiedlichen radialen Abstand zu dem Formwerkzeug 2, bzw. zu dem Werkstück 7. Die erste Drückrolle 4 hat den größten Abstand, da sie das Werkstück 7 zuerst bearbeitet. An dem auslaufseitigen Ende der Preßfläche 8 der ersten Drückrolle 4 ist die ursprüngliche Wandstärke S0 des Werkstückes 7 um den Betrag d4 reduziert. In diesem radialen Abstand S0-d4 greift nun das eingangsseitige Ende der Preßfläche 9 der zweiten Drückrolle 5 an. Durch die Preßfläche 9 der zweiten Drückrolle 5 wird die Wandstärke um den Betrag d5 reduziert. Die letzte Drückrolle 6 reduziert die Wandstärke um den Betrag d6 bis die gewünschte Zielwandstärke S1 des Werkstückes 7 erreicht ist. Die Wandstärke des Werkstückes 7 wird also von der Ursprungswanddicke S0 auf die Zielwandstärke S-L reduziert. Die Wandstärkenreduktion d setzt sich aus den Einzelreduktionen d4,d5,d6 zusammen, wobei jede Einzelreduktion das 0,2 bis 0,4 -fache der Gesamt- reduktion d beträgt.
Auch die Ausformung der inneren Rillenstruktur verläuft abschnittsweise. Zu Beginn der Drückwalzoperation liegt das Werkstück 7 auf der erhabenen Rillenstruktur 3 des Formwerkzeuges 2" auf. Die Wandstärke S0 des Werkstückes 7 entspricht folgender Formel :
S0 = 2 x Sx + 2,2 x m
wobei Sx die Endwandstärke und m der Zahnmodul des Formwerkzeuges 2 ist, das dem Flankenabstand zweier benachbarter Rillen geteilt durch π entspricht. Die erste Drückrolle 4 drückt das Material des Werkstückes 7 etwas in die Rillenstruktur 3 des Formwerkzeuges 2 ein. Die Drückrolle 5 drückt das Material weiter in die Rillenstruktur 3, während die letzte Drückrolle 6 die Rillenstruktur 3 vollständig mit dem Material des Werkstückes 7 füllt und die gewünschte Zielwandstä ke Sx einstellt .

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Drückwalzvorrichtung (1) zum Einformen einer Rillenstruktur in ein rohrförmiges Werkstück (7) mit einem eine Rillenstruktur (3) aufweisenden rohr- förmigen Formwerkzeug (2) , mindestens drei relativ zu dem Formwerkzeug (2) umlaufenden in Vorschubrichtung axial bewegbaren Drückrollen (4,5,6), die rotierend angetrieben sind, wobei die Drückrollen (4,5,6) unter jeweils einem Einlaufwinkel (α4,α5,α6) verlaufende konische Preßflächen (8,9,10) aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Preßfläche (10) der letzten Drückrolle (6) einen größeren Einlaufwinkel {a6) als die vorderen Drückrollen (4,5) hat.
2. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichneC, daß 'die Preßfläche (10) der letzten Drückrolle (6) einen Einlaufwinkel (α;6) von etwa 30° aufweist und die anderen Drückrollen (4,5) einen Einlaufwinkel {cxΛ , a5) von jeweils etwa 20° aufweisen.
3. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrollen (4,5,6) geringfügig zueinander axial versetzt sind, wobei der radiale Abstand der Drückrollen (4,5,6) zu dem Formwerkzeug (2) in Vorschubrichtung zunimmt.
4. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (w4,w5,w6)' der Drückrollen (4,5,6) 0,1 bis 5 mm beträgt. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückrolle (4,5,6) als Übergangsbereich (11) zwischen der Preßfläche (8,9,10) und einer Auslauffläche (12) einen Radius (R4,R5,R6) hat, wobei der Radius (R4,R5,R6) der Ausgangswandstärke (S0) plus der halben Endwanddicke (S des Werkstückes (7) entspricht .
Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs- Wandstärke S0 des Werkstückes (7) folgender Formel entspricht :
30 = 2 x 3! + 2, 2 x m
wobei Sx die Materialdicke über der Rillenstruktur (3) des fertiggestellten Werkstückes (7) und der Zahnmodul des Formwerkzeuges (2) ist.
Verfahren zum Einformen einer Rillenstruktur in ein rohrförmiges Werkstück (7) unter Verwendung einer Vorrichtung (1) , die axial versetzte um ein Formwerkzeug (2) umlaufende Drückrollen (4,5,6) aufweist, mit den folgenden Schritten:
Aufsetzen des Werkstückes (7) , das eine Ausgangswandstärke S0 größer als die Zielwandstärke Sx aufweist, auf das Formwerkzeug (2) , Drehen des Formwerkzeuges (2)
Vorschieben der Drückrollen (4,5,6) entlang des Werkstückes (7) , wobei die in Vorschubrichtung letzte Drückrolle (5) eine Preßfläche (10)" aufweist, deren Einlaufwinkel (o;6) größer ist als die Einlaufwinkel (α4,o;5) der vorderen Drückrollen (4,5) .
PCT/EP1998/004148 1997-07-19 1998-07-04 Vorrichtung und verfahren zum einformen einer rillenstruktur in ein rohrförmiges werkstück WO1999003618A1 (de)

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