DE102004046427A1

DE102004046427A1 - Fließlochformwerkzeug

Info

Publication number: DE102004046427A1
Application number: DE102004046427A
Authority: DE
Inventors: Franz Prof. Dr.-Ing. Tikal; Christian Dipl.-Ing. Gies; Sven Dipl.-Ing. Holsten; Juan Miguel Godoy Ramsay
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Fließlochformwerkzeug (1), umfassend einen Schaft (12) und ein Arbeitsteil (2) zur Erzeugung eines Durchzuges in einem Werkstück, wobei das Arbeitsteil einen im Wesentlichen kegelförmigen Abschnitt (3) mit einer Spitze (6) aufweist, wobei die Mantelfläche des Kegels mindestens einen Formstollen (8) aufweist und wobei der Kegelmantel einen bogenförmigen Verlauf aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fließlochformwerkzeug, umfassend einen Schaft und ein Arbeitsteil zur Erzeugung eines Durchzuges in einem Werkstück, wobei das Arbeitsteil einen im Wesentlichen kegelförmigen Abschnitt mit einer Spitze aufweist, wobei die Mantelfläche des Kegels mindestens einen Formstollen aufweist.
Beim Thermofließlochformen handelt es sich um ein spanloses Fertigungsverfahren zum Herstellen von Blech- oder Hohlprofildurchzügen. Hierzu wird ein schnell rotierender Hartmetallkegeldorn mit im Querschnitt polygonalen Schliff unter axialer Kraftbeaufschlagung auf das Werkstück gedrückt. Die Formstollen die durch den polygonalen Schliff erzeugt werden, sind hierbei gleichmäßig über den Umfang des Kegels verteilt und entsprechen in ihrer Hüllkurve einer symmetrischen – gegebenenfalls verkürzten – Hypozykoliden, wobei die Anzahl der Formstollen von dem Nenndurchmesser des Durchzuges abhängt. Die zwischen Werkzeug und Werkstück entstehende Reibungswärme reduziert die Fließgrenze des Werkstückmaterials so weit, dass der Dorn mit vergleichsweise geringem Kraftaufwand durch das Blech gedrückt werden kann, wobei sich auf der Blechunterseite ein Durchzug und an der Blechoberseite der verfahrenstypische Buchsenkragen bildet.
Mögliche Anwendungen dieses Thermofließlochformens sind die Herstellung von Gewinde- und Lagerbuchsen in Blechen und Rohren. Der Vorteil des Thermofließlochformens besteht im Vergleich zu der herkömmlichen Herstellung von Gewindebuchsen vor allem in dem deutlich geringeren Preis und gegebenenfalls auch in einem verminderten Platzbedarf, wenn man daran denkt Muttern als Gewindebuchsen anzuschweißen.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass das herkömmliche Verfahren zum Thermofließlochformen noch einige Nachteile aufweist. Es wurde bereits erläutert, dass durch das Thermofließlochformen auf der Unterseite des Werkstücks eine Buchse gebildet wird, wohingegen sich an der Oberseite des Werkstücks ein Kragen ausbildet. Insbesondere lässt die Buchsenqualität in Bezug auf eine Rissbildung im Endbereich der Buchse zu wünschen übrig. Zur Verminderung dieser Rissbildung ist bereits der Einsatz gesteuerter Vorschubbuchsen bekannt. Eine solche Vorschubsteuerung ist jedoch sehr aufwendig und führt auch nicht immer zum gewünschten Erfolg.

Insofern liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Buchse zu verbessern, ohne dass auf eine aufwendige Vorschubsteuerung zurückgegriffen werden muss.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kegelmantel von der Spitze aus bogenförmig verlaufend ausgebildet ist, wobei der bogenförmige Verlauf insbesondere dem Ausschnitt einer Ellipse entspricht.

Hierdurch wird eine Werkzeugkontur im Bereich des Arbeitsteiles des Fließlochformwerkzeuges bereitgestellt, die ausgehend von einem definierten Spitzenwinkel einen kontinuierlichen Übergang von der Werkzeugspitze bis zum zylindrischen Werkzeugbereich bietet. Diese Werkzeuggeometrie bietet aus strömungstheoretischer Sicht eine Reihe von Vorteilen, die dazu führen, dass sich der Leistungsbedarf während des Bearbeitungsprozesses und somit die Werkzeugbelastung harmonischer gestalten. In vielen Fällen kann durch die gefundene Werkzeugkontur auf eine maschinelle Vorschubsteuerung verzichtet werden. Aufgrund der geringeren Belastung ergibt sich auch eine höhere Standzeit der Werkzeuge.

Ein weiterer großer Vorteil der neu entwickelten Werkzeugkontur besteht in der erheblichen Steigerung der Buchsenqualität, da insbesondere die Tiefe und Anzahl der Einrisse am Ende der Buchse bzw. des Durchzuges deutlich reduziert werden können.

Vorteilhaft umfasst das Arbeitsteil einen zylindrischen Abschnitt. Das bedeutet, dass sich an dem kegelförmigen Abschnitt mit ellipsoiden Verlauf der Mantelfläche des Kegels ein zylindrischer Abschnitt anschließt.

Bekannt ist ebenfalls ein polygonaler Schliff des Arbeitsteiles eines Fließlochformwerkzeuges. D. h., dass die einzelnen Formstollen durch den polygonalen Schliff auf dem Umfang der Mantelfläche des Kegels und gegebenenfalls auch auf dem zylindrischen Abschnitt angeordnet sind.

Vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

So ist insbesondere vorteilhaft vorgesehen, dass das Arbeitsteil mit dem kegelförmigen Abschnitt mindestens einen wendelförmigen Formstollen aufweist. Vorteilhaft sind allerdings mehrere wendelförmig umlaufende Formstollen vorgesehen. Solche Formstollen laufen beginnend von der Werkzeugspitze in einem definierten Drallwinkel bis zum Ende des Arbeitsteils. Das Arbeitsteil weist, wie bereits an anderer Stelle erläutert, den kegelförmigen Abschnitt auf, wobei jedoch sich an den kegelförmigen Abschnitt ein zylindrischer Abschnitt anschließen kann. Auch dieser zylindrische Abschnitt kann von dem wendelförmig umlaufenden Formstollen erfasst sein. Durch die wendelförmigen Formstollen auf dem Umfang des Arbeitsteils besteht die Möglichkeit, den Werkstofffluss zu steuern.

Nach einer Variante ist hierbei vorgesehen, dass zur Steigerung der Buchsenlänge in Vorschubrichtung des Werkzeuges der Drallwinkel positiv ausgebildet, also rechtsdrehend ist. Negative Drallwinkel hingegen bewirken eine Vergrößerung des Kragens der Buchse.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung von wendelförmig umlaufenden Formstollen auf dem Arbeitsteil besteht darin, dass durch die Formstollen die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück erhöht wird, so dass mehr Reibungswärme in das Werkstück eingebracht werden kann, was die Prozesstemperatur erhöht. Hierdurch ist dann gegebenenfalls auch eine Änderung des Materialgefüges möglich.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Formstollen an einer Flanke eine Abrisskante aufweist. Unter einer Abrisskante ist zu verstehen, dass diese Flanke mit dieser Abrisskante eine größere Steigung hat, als die benachbarte Flanke des Formstollens. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass diese Abrisskante an der der Drehrichtung abgewandten Seite des Formstollens angeordnet ist. Dies vor folgendem Hintergrund:
Der typische Werkzeugverschleiß beim Fließlochformen besteht in einem kontinuierlichen Aufschweißen von Werkstückmaterial an den Formstollen. Durch die Abrisskante wird nun ein solcher Aufschweißvorgang unterbunden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einer Mehrzahl von Formstollen die Teilung der Formstollen auf dem Umfang des Arbeitsteils des Werkzeuges ungleich. Bei Standardwerkzeugen sind die Formstollen, die durch den Polygonschliff des Arbeitsteils erzeugt werden, gleichmäßig über den Werkzeugumfang verteilt. Dies führt unter bestimmten Bearbeitungsbedingungen zu harmonischen Schwingungen, die das Bearbeitungsergebnis negativ beeinflussen und zu extremen Belastungen der Werkzeuge und des Bearbeitungszentrums führen. Um diese Schwingungsanregung zu unterbinden, wird eine symmetrische, z. B. mit Winkelpositionen von 0°/110°/180°/290° oder eine asymmetrische Ungleichteilung mit Winkelpositionen von 0°/110°/180°/280° der Formstollen über den Umfang vorgeschlagen. Durch die Ungleichteilung wird erreicht, dass die periodische Anregung durch nicht erwünschte Schwingungen während des Bearbeitungsprozesses unterbunden wird. Das heißt, dass die Maschinenbelastung herabgesetzt wird und sowohl das Werkzeug als auch das Bearbeitungszentrum geschont werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen Arbeitsteil und Schaft ein Bund angeordnet. In diesem Zusammenhang ist im Übergang vom Arbeitsteil zum Bund vorgesehen, dass der mindestens eine Formstollen graduell ausläuft. Das heißt, dass das Arbeitsteil im Übergang zum Bund von der polygonen Form mit den Formstollen in die zylindrische Form kontinuierlich übergeht. Das heißt, dass im Radiusbereich die Formstollen graduell auslaufen, sodass im Übergangsbereich zum Bund keine Walkarbeit durch die Formstollen mehr erzeugt wird, sondern ausschließlich Reibarbeit verrichtet wird. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass der Polygonschliff hierfür über einen freiwählbaren Teilabschnitt in eine Kreisbahn überführt wird, was – wie bereits ausgeführt – eine Erhöhung der Reibfläche zur Folge hat, mit der Folge einer erhöhten Wärmezufuhr am Ende des Bearbeitungsprozesses. Durch die erhöhte Wärmezufuhr wird der nach oben verdrängte Werkstoff, der schlussendlich den Kragen der Buchse bilden soll, kurz vor seiner Fertigstellung noch einmal zusätzlich erwärmt, wodurch er sich leichter zu einem Kragen umformen lässt. Insbesondere kann hierdurch die Qualität des Kragens, der in vielen Fällen als Dichtfläche dient, auf diese Weise erheblich gesteigert werden.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Spitze des Kegels konkav ausgeformt. Es hat sich gezeigt, dass an Werkzeugen zum Fließlochformen mit großem spitzen Winkel, also einer breiten Spitze, es in vielen Fällen zu einer Flitterbildung kommt. Unter einer Flitterbildung wird ein Ausfransen der Buchse auf ihrer Unterseite verstanden. Durch den extrem kleinen spitzen Winkel, der auf Grund der konkaven Kontur der Spitze erzeugt wird, reduziert sich die vor der Werkzeugspitze verdrängte, für die Buchsenbildung nicht nutzbare Werkstoffmenge und führt zu einem früheren Durchstoßen des Werkzeuges. Genau dies bewirkt eine Reduzierung der Flitterbildung am Ende des Durchzuges, also am unteren Rand der Buchse.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

1 zeigt ein herkömmliches Fließlochformwerkzeug in einer Seitenansicht;

1a zeigt eine Ansicht gemäß der Linie II – II aus 1;

2 zeigt das erfindungsgemäße Fließlochformwerkzeug, wobei der kegelförmige Abschnitt des Arbeitsteils eine bogenförmige Kontur aufweist;

3 zeigt eine kegelförmige Spitze mit wendelförmig umlaufenden Formstollen;

4a zeigt eine Ansicht auf das Arbeitsteil des Formwerkzeuges im Querschnitt mit Formstollen mit Abrisskante;

4b zeigt die Abwicklung des Formstollenschliffs mit Abrisskante;

5a zeigt die Formstollenanordnung mit Ungleichteilung in einer Ansicht;

5b zeigt die Abwicklung des Formstollenschliffes mit Ungleichteilung;

6a zeigt ein Fließlochformwerkzeug ohne Hubauslauf (Stand der Technik);

6b zeigt ein Fließlochformwerkzeug mit Hubauslauf;

7 zeigt einen Ausschnitt eines Fließlochformwerkzeugs mit konkaver Werkzeugspitze;

8a zeigt die Materialbewegung an der Werkzeugspitze bei einer konvexen Standardgeometrie der Spitze;

8b zeigt die Materialbewegung bei einer konkaven Spitzengeometrie.

Der in den 1a und 1b dargestellte und mit 1 bezeichnete Fließlochformer umfasst ein insgesamt mit 2 bezeichnetes Arbeitsteil, den mit 10 bezeichneten Bund und den mit 12 bezeichneten Schaft, zur Aufnahme durch das Werkzeug. Das insgesamt mit 2 bezeichnete Arbeitsteil umfasst einen konischen oder kegelförmigen Abschnitt 3 und einen sich daran anschließenden zylindrischen Abschnitt 4. Der kugelförmige Abschnitt 3 besitzt endseitig eine Spitze 6. Bei der Frontansicht des Fließlochformwerkzeuges gemäß 1b ist deutlich der Polygonschliff mit dem Formstollen 8 des Arbeitsteiles 2 zu erkennen. Durch die polygonale Ausgestaltung des Arbeitsteiles und hier insbesondere des Konus oder kegelförmigen Abschnittes sowie gegebenenfalls auch des sich daran anschließenden zylindrischen Abschnittes, erfolgt nicht nur die Erwärmung des Werkstückes, sondern darüber hinaus auch eine Verdrängung des Werkstoffes.
2 zeigt eine Werkzeugkontur mit ellipsoid geformtem kegelförmigen Abschnitt 3. Der ellipsoid-kegelförmig ausgebildete Abschnitt 3 wird durch zwei Ausschnitte einer Ellipse gebildet, die unter Bildung eines Versatzes zur Bildung der Spitze 6 zueinander geführt sind. Im Anschluss an diesen ellipsoidenkegelförmigen Abschnitt 3 mit der Länge L1 schließt sich über die Länge L2 ein zylindrischer Abschnitt 4 an, der über einen Radius R3 in den Bund 10 übergeht, an den sich der Schaft 12 anschließt, wie dies auch bei einem bekannten Fließlochformwerkzeug der Fall ist.
Aus der Darstellung gemäß 3 sind auf dem konischen Abschnitt des Arbeitsteiles wendelförmig umlaufende Formstollen 8 erkennbar, wobei der Drallwinkel y positiv gewählt ist. Durch die Integration eines Dralles besteht die Möglichkeit, den Werkstofffluss zu steuern mit dem Ziel der Beeinflussung der Buchsenlänge bzw. des Kragens des Durchzuges. Bei positivem Drallwinkel γ erfolgt eine Verlängerung der Buchse, wohingegen bei einem negativen Drallwinkel dem Kragen mehr Material zugeführt wird.
Gemäß 4a ist in der dortigen Ansicht auf das Arbeitsteil 3 die Abrisskante erkennbar. Die mit 30 bezeichnete Abrisskante befindet sich in Drehrichtung gesehen (Pfeil 40) hinter der entsprechenden verdrängenden Kante 35. Die Abwicklung des Formstollenschliffes ist aus 4b erkennbar.
Die Ungleichteilung ergibt sich aus den Darstellungen gemäß 5a und 5b, wobei 5b wiederum die Abwicklung des Formstollenschliffs zeigt. Erkennbar sind die Formstollen ungleichmäßig über den Umfang verteilt, um eine Resonanz des Werkzeugs zu vermeiden (5a).
6a zeigt ein Fließlochformwerkzeug ohne sogenannten Hubauslauf, wohingegen 6b ein Fließlochformwerkzeug mit Hubauslauf (Pfeil 20) zeigt. D. h., der Hub ist definiert durch den radialen Abstand eines Tales zwischen zwei Formstollen und dem Scheitel des Formstollens, wie dies in 5a eingezeichnet ist. Unter einem Hubauslauf ist somit zu verstehen, dass im Radiusbereich, d. h. im Übergang vom Arbeitsteil zum Bund die Formstollen graduell auslaufen. Das heißt, dass unmittelbar im Grund des Übergangs von der polygonalen Querschnittsform des Arbeitsteils auf eine zylindrische Querschnittsform übergegangen wird. Im Grund des Übergangs erfolgt eine Erhöhung der Reibfläche, was unmittelbar zu einer Steigerung der Wärmezufuhr am Endes des Bearbeitungsprozesses, also dann, wenn das Werkzeug am Bund anliegt, führt. Das bedeutet, dass der nach oben verdrängte Werkstoff kurz vor seiner Umformung nochmals zusätzlich erwärmt wird. Die Qualität des Kragens, der in vielen Fällen als Dichtfläche dient, lässt sich auf diese Weise erheblich steigern.
7 zeigt eine Ansicht auf ein Fließlochformwerkzeug mit einem Arbeitsteil mit konischem Abschnitt, wobei die Spitze 30 konkav ausgebildet ist. Durch die konkave Formgebung der Spitze 30 entsteht ein extrem kleiner Spitzenwinkel, der – wie sich dies aus 8a und 8b ergibt – zu einer veränderten Materialbewegung an der Werkzeugspitze führt. Die konkave Werkzeugspitze reduziert die vor der Werkzeugspitze verdrängte, für die Buchsenbildung nicht nutzbare Werkstoffmenge und führt zu einem frühen Durchstoßen des Werkzeuges. Dies bedingt unmittelbar eine Verminderung der Flitterbildung am Endes des Durchzuges, also am Ende der Buchse. Demgegenüber besteht bei üblicher Formgestaltung der Spitze die Gefahr, dass die Buchse endseitig ausfranst bzw. zur Rissbildung neigt.

Claims

Fließlochformwerkzeug (1), umfassend einen Schaft (12) und ein Arbeitsteil (2) zur Erzeugung eines Durchzuges in einem Werkstück, wobei das Arbeitsteil einen im Wesentlichen kegelförmigen Abschnitt (3) mit einer Spitze (6) aufweist, wobei die Mantelfläche des Kegels mindestens einen Formstollen (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel einen bogenförmigen Verlauf aufweist.
Fließlochformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bogenförmige Verlauf des Kegelmantels (3) dem Ausschnitt der Ellipse entspricht
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Formstollen (8) einen wendelförmigen Verlauf aufweist.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigung der Buchsenlänge in Vorschubrichtung des Werkzeugs der Drallwinkel des Formstollens (8) positiv (rechtsdrehend) ausgebildet ist.
Fließlochformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung des Kragens der Buchse der Drallwinkel des Formstollens (8) negativ ist.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Formstollen (8) an seiner Flanke eine Abrisskante (30) aufweist.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl von Formstollen (8) die Formstollen (8) ungleich geteilt auf dem Umfang des Arbeitsteils (2) des Werkzeugs angeordnet sind.
Fließlochformwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ungleichteilung in symmetrischer oder asymmetrischer Winkelteilung getroffen ist.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsteil (2) einen zylindrischen Abschnitt (4) umfasst.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Arbeitsteil (2) und Schaft ein Bund (10) vorgesehen ist.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang vom Arbeitsteil (2) zum Bund (10) der mindestens eine Formstollen (8) graduell ausläuft.
Fließlochformwerkzeug nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (6) des kegelförmigen Abschnitts des Arbeitsteiles (2) konkav geformt ist.