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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Rohr- und/oder Stangenelements,
bei dem ein Umformwerkzeug eine erste Matrize und eine zweite Matrize
aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Rohr- und/oder
das Stangenelement zwischen der ersten Matrize und der zweiten Matrize
mittels eines Axialpressvorgangs plastisch umgeformt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen,
bei dem auf besonders einfache und zuverlässige Weise faltenfreie Verdickungen
an einem Rohr-/Stangenelement spanlos herstellbar sind. Insbesondere
sind mittels des Verfahrens nahezu beliebige Wülste und Flansche an dem Rohr-/Stangenelement
herstellbar. Es soll dazu dienen, eine Vielzahl von unterschiedlichen
Geometrien für
die Ausformung an einem Rohr- bzw. Stangenende bereitzustellen,
wie dicke Endflansche oder dünnwandige
Flansche mit großen Durchmessern,
Verdickungen zum Aufbringen von stirnseitigen oder radialen Verzahnungen,
Rändeln und
dergleichen oder auch Verstärkungen
zum Anschweißen
von Hebeln und dergleichen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein freies Ende des Rohr-
und/oder Stangenelements zwischen der ersten Matrize und der zweiten
Matrize mittels eines Axialpressvorgangs plastisch umgeformt, insbesondere trichterförmig aufgeweitet,
wobei während
des Axialpress vorgangs aus einem außerhalb eines umzuformenden
Bereichs des Rohr- und/oder Stangenelements Material des Rohr- und/oder
Stangenelements zu dem umzuformenden Bereich bzw. zur Aufweitungszone
nachgeschoben wird und/oder der umzuformende Bereich unter Wandverdickung
in axialer Richtung verkürzt
wird. Durch ein gezieltes Nachschieben von Material aus dem nicht
umgeformten Bereich des Rohr- und/oder Stangenelements bzw. von
außerhalb
der Aufweitungszone lässt
sich das ein Schrumpfen der Wandstärke ausgleichen; ebenso lässt sich
ein Schrumpfen der Wandstärke
durch gleichzeitiges Verkürzen
bzw. Stauchen der Aufweitungszone kompensieren, wobei beide Effekte
auch kombiniert anwendbar sind. Vorteilhaft ist es dabei, dass sich
das Material gleichmäßig über den
Umfang verteilt, so dass eine gleich bleibende Wandstärke trotz
aufgeweiteter Form mit vergrößertem Durchmesser
erzielbar ist. Dies ermöglicht
in einem sich anschließenden
zweiten Verfahrensschritt eine weitere Umformung der Aufweitungszone
in eine nahezu beliebig gestaltbare Endform, wie z. B. in einen
abgestuften Endflansch, weil in einem solchen zweiten Verfahrensschritt
somit vergleichsweise geringe Umformgrade erreicht werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird das Nachschieben des Materials
zu dem umzuformenden Bereich mittels eines das Rohr- und/oder Stangenelement
innen aufnehmenden Dorns bewerkstelligt, der sich während des
Aufweitvorgangs in Richtung auf die zweite Matrize hin bewegt, und über eine entsprechende
Oberflächenstruktur
verfügt,
mittels derer Material des Rohr- und/oder
Stangenelements zu dem umzuformenden Bereich bzw. zur aktuellen Aufweitungszone
nachgeschoben wird. Ein Dorn ist üblicherweise vorhanden, um
das Rohr- und/oder Stangenelement in der Matrize zu zentrieren bzw.
innenseitig abzustützen.
Sehr einfach ist es daher, die Oberfläche des Dorns mit einer entsprechenden Struktur
zu versehen, um so das Nachschieben des Materials in der Aufweitungszone
zu bewerkstelligen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Dorn eine rauhe Oberflächenstruktur
auf. Es ist auch möglich,
zusätzlich
oder anstelle der rauhen Oberflächenstruktur
des Dorns, eine oder mehrere Riefen und/oder Rillen und/oder Wülste und/oder
Nuten oder dergleichen am Dorn vorzusehen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird, zusätzlich zur Veränderung
der Oberflächenstruktur des
Dorns oder anstelle, das Nachschieben des Materials über einen
beweglichen ersten Anschlag bewerkstelligt, der stirnseitig ein
in der ersten Matrize aufgenommenes Ende des Rohr- und/oder Stangenelements
während
des Aufweitvorgangs in Richtung der zweiten Matrize hin bewegt.
Dadurch lassen sich hohe Umformgrade bzw. Materialbewegungen hin zur
aktuellen Aufweitungszone erreichen, die in dem zweiten Verfahrensschritt
dann zu vergleichsweise großen
und stabilen Flanschen bzw. Bunden führt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an der zweiten Matrize
ein zweiter Anschlag vorgesehen, an dem der umzuformende Bereich
des Rohr- und/oder Stangenelements stirnseitig abstützbar ist. Der
zweite Anschlag ist dabei vorzugsweise derart gestaltet, dass er
mit einer Symmetrieachse des Rohr- und/oder Stangenelements einen
Winkel einschließt,
der kleiner ist als 90°.
Insbesondere weist der Anschlag eine in etwa trichterförmige Anschlagfläche auf.
Mit Hilfe der solchermaßen
gestalteten zweiten Matrize lässt
sich der umzuformende Bereich in axialer Richtung und/oder parallel
zur Wandung des umzuformenden Bereichs stauchen und verkürzen. Dabei
ergibt sich eine Vergrößerung der Wandstärke, wobei
in bevorzugter Weise die Vergrößerung der
Wandstärke
zumindest so groß gewählt ist,
dass die infolge von Querschnittsvergrößerungen (Aufweitung) erzeugte
Reduzierung der Wandstärke kompensiert
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an der zweiten Matrize
ein dritter Anschlag vorgesehen, an dem der umzuformende Bereich
des Rohr- und/oder Stangenelements stirnseitig abstützbar ist, wobei
der dritte Anschlag wenigstens abschnittsweise in das Rohr- und/oder
Stangenelement eingreift und mit dem zweiten Anschlag einen Winkel
von näherungsweise
90° einnimmt.
Insbesondere weist der dritte Anschlag eine kegelige Anschlagfläche auf,
die während
des Axialpressvorgangs an einer innenliegenden Oberfläche des
Rohr- und/oder Stangenelements entlanggleitet. Durch Zusammenwirken
des zweiten Anschlags und des dritten Anschlags lässt sich
das Rohr- und/oder Stangenelement besonders effektiv abstützen, wobei
die Anschläge
im Zuge der plastischen Umformung des Rohr- und/oder Stangenelements
wenigstens abschnittsweise dessen Geometrie festlegen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in einem zweiten Verfahrensschritt
das Rohr- und/oder Stangenelement mittels eines zweiten Axialpressvorgangs
einer zur Ausformung bereitgestellten dritten Matrize, die an das
insbesondere trichterförmig
aufgeweitete bzw. vorgeformte Ende angreift, dieses in seine Endform
umgeformt. Dabei kann der umgeformte Bereich eine Endform annehmen,
die einen nahezu beliebig gestaltbaren Flansch umfasst, welcher
wiederum Verdickungen zum Aufbringen von stirnseitigen oder radialen
Verzahnungen, Rändeln und
dergleichen oder zum Aufbringen von Verstärkungen zum Anschweißen von
Hebeln und dergleichen aufweist. Damit lässt sich in einfacher Art und Weise
eine vielseitige Technologie zum Herstellen von radialen Verdickungen
an einem Rohr- und/oder Stangenende bereitstellen, die sich einen
breiten Anwendungsbereich erschließen kann, wie im Automobilbereich,
z. B. bei Getriebewellen, Antriebswellen, Nockenwellen, Fahrwerksteilen
oder in der Bau- und Rohrleitungstechnik.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
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Hierzu zeigen
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1 in
einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug
mit einem Rohrelement in einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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2 in
einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug
mit einem Rohrelement in einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung und
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3 in
einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug
mit einem umgeformten Rohrelement gemäß 1 oder 2 in
einem zweiten Verfahrensschritt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum plastischen, spanlosen
Umformen eines Rohrelements R oder eines Stangenelements, zu dessen
Durchführung
ein Umformwerkzeug 1 vorgesehen ist. Die Gestaltung des
Umformwerkzeugs 1 gemäß den 1 bis 3 ist
bevorzugt näherungsweise
rotationssymmetrisch bezüglich
einer Achse Z ausgeführt.
Im Folgenden wird auf das Rohrelement R Bezug genommen, das in den 1 bis 3 dargestellt
ist. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung eines Rohrelements
R beschränkt,
sondern sie kann auch auf ein Stangenelement mit einem insbesondere
hohlen Endabschnitt übertragen
werden.
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Das
Umformwerkzeug 1 umfasst eine erste Matrize 2 und
eine zweite Matrize 4 sowie einen Dorn 3. In nicht
dargestellter Weise sind dem Umformwerkzeug 1 zumindest
ein Presswerkzeug sowie in bevorzugter Weise eine Heizeinrichtung
in Form einer Induktionsheizung zugeordnet.
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Die
erste Matrize 2 und die zweite Matrize 4 sind
jeweils bevorzugt als im Wesentlichen kreisringförmiges, ungeteiltes Bauteil
ausgeführt.
Die erste Matrize 2 kann optional in einzelne Ringsegmente oder
dergleichen unterteilt sein. Die erste Matrize 2 ist derart
gestaltet, dass ein im Bereich eines Abschnitts A1 eingesetztes
Rohrelement R passgenau bzw. mit geringem Spiel umgeben wird. Das
Rohrelement R wird außerdem
auf dem Dorn 3 geführt.
Der Dorn 3 ist als im Wesentlichen kreiszylindrisches Bauteil
gestaltet und mit einem nicht dargestellten Presswerkzeug verbunden.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
ist der Dorn als Sechskant mit einem in axialer Richtung in etwa
konstanten Sechseckquerschnitt ausgeführt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Dorn mit einem beliebigen Polygonquerschnitt oder dergleichen
versehen, dabei kann das Rohrelement einen korrespondierenden Innenquerschnitt
oder einen kreisförmigen
Innenquerschnitt aufweisen, wobei letzterer im Verlauf des Umformverfahrens
an die Kontur des Dorns anpassbar ist.
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Die
vom Presswerkzeug aufgebrachte Kraft ist in 1 durch
einen Pfeil P1 gekennzeichnet. Der Dorn 3 ist derart gestaltet,
dass er von dem in das Umformwerkzeug 1 eingesetzten Rohrelement
R passgenau bzw. mit geringem Spiel umgeben wird. Das Rohrelement
R ist etwa über
die Hälfte
seiner axialen Erstreckung in der ersten Matrize 2 aufgenommen
und stößt stirnseitig
an einem in den Figuren links dargestellten Ende 6 mit
einer ersten Stirnfläche 7 an
einen als Absatz ausgeführten
ersten Anschlag 8 innerhalb der ersten Matrize 2 an.
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Wie
in 1 näher
dargestellt, ist das der ersten Stirnfläche 7 gegenüberliegende,
gestrichelt dargestellte Rohrende 9' unbearbeitet zunächst parallel
verlaufend zur Achse Z ausgerichtet. Das Rohrende 9, 9' wird sowohl
in einem ersten als auch in einem zweiten Verfahrensschritt durch
Umformen bearbeitet; es bildet daher einen umzuformenden Bereich 10,
der von einem parallel zur Z-Achse verlaufenden Teil 11 des
Rohrelements R beginnt und an einem stirnseitig abragenden Endabschnitt 21 (zweite Stirnfläche) endet.
Der verformte Zustand des Rohrendes 9 nach erfolgtem erstem
Verfahrensschritt ist in der 1 entsprechend
mit durchgezogenen Linien dargestellt.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird nun die zweite Matrize 4 mit
Hilfe eines nicht näher
dargestellten Presswerkzeugs in Richtung auf die erste Matrize 2 zu
bewegt. Dieser Axialpressvorgang mit Hilfe des Presswerkzeugs ist
in 1 durch einen Pfeil P2 gekennzeichnet. Die erste
Matrize 2 dient als Gegenhalter zur zweiten Matrize 4,
die somit die Funktion eines Stempels übernimmt. Insbesondere ist
dabei das Rohrelement R zwischen erster Matrize 2 und Dorn 3 unbeweglich
eingeklemmt. Eine derartige Fixierung wird mit Hilfe einer nennenswerten Oberflächenrauhigkeit
an erster Matrize 2 und Dorn 3 begünstigt.
Die Bewegung der zweiten Matrize 4 führt zu einer Verformung bzw.
Stauchung des aus der ersten Matrize 2 herausstehenden
Rohrendes 9, indem ein in etwa kegelstumpfförmiger dritter
Anschlag 19 der zweiten Matrize mit einer kegeligen Anschlagfläche 20 in
das Rohrende 9 hineindrückt.
Entsprechend wird das Rohrende 9 trichterförmig, kugelabschnittsförmig, elliptisch,
parabolisch oder in ähnlicher
Geometrie (nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch) aufgeweitet.
Ein zwischen der Achse Z und dem Rohrende 9 bzw. der kegeligen
Anschlagfläche 20 eingeschlossener
Winkel beträgt
vorliegend z.B. etwa 45°.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Anschlagfläche 20 eine
erhöhte
Oberflächenrauhigkeit
auf, die eine Stauchung des umzuformenden Bereichs 10 begünstigt.
Alternativ oder zusätzlich
ist ferner vorsehbar Querrillen oder sonstige Oberflächenstrukturen
in der Anschlagfläche 20 vorzusehen,
um ebenfalls ein Anhaften von Material mit gleichzeitigem Stauch-Effekt
zu erreichen.
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Im
Zuge des ersten Verfahrensschritts und des enthaltenen Axialpressvorgangs
stößt die zweite Matrize 4 in
nicht dargestellter Weise mit einem zweiten Anschlag 22 stirnseitig
gegen den Endabschnitt 21 des Rohrelements, wobei eine
trichterförmige
Anschlagfläche 22 in
etwa einen Winkel von 45° mit
der Symmetrieachse Z des Rohrelements aufweist und näherungsweise
parallel zur schmalen Stirnseite des umzuformenden Bereichs 10 ausgerichtet
ist. Die trichterförmige
Anschlagfläche 22 ist
ferner auch näherungsweise
rechtwinklig angeordnet zur kegeligen Anschlagfläche 20, so dass zweiter
Anschlag 22 und dritter Anschlag 19 zusammenwirkend
eine ringförmige
Rinne mit bevorzugt V-förmigem
Querschnitt bilden, in der der Endabschnitt 21 des Rohrelements aufgenommen
und abgestützt
wird.
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Mit
Hilfe der solchermaßen
gestalteten zweiten Matrize 4 wird der umzuformende Bereich 10 in axialer
Richtung Z und/oder parallel zur Wandung des umzuformenden Bereichs 10 gestaucht
und verkürzt,
wenn die zweite Matrize 4 mitsamt dem Endabschnitt 21 in
Richtung der ersten Matrize 2 bewegt wird. Dabei ergibt
sich eine Vergrößerung der Wandstärke seitens
des umzuformenden Bereichs 10, was insbesondere durch ein „Aufstauen" von Material am
zweiten Anschlag 23 erreicht wird, wobei in bevorzugter
Weise die Vergrößerung der
Wandstärke
zumindest so groß gewählt ist,
dass die im Rahmen der Aufweitung erzeugte Reduzierung der Wandstärke kompensiert
oder überkompensiert
wird. Schließlich
wird die stirnseitige Form des Rohrelements R im Bereich seines
Endabschnitts 21 durch die Anschläge 19, 22 bis
zum Ende des ersten Verfahrensschritts definiert.
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Bevor
der zweite Verfahrensschritt des Umformens erfolgen soll, ist während des
Aufweitvorgangs des Rohrendes 9 ergänzend und bevorzugt zeitgleich
vorgesehen, aus einem außerhalb
des umzuformenden Bereichs 10 des Rohrelements R liegenden
Abschnitt, wie beispielsweise dem parallel zur Achse Z verlaufenden
Teil 11 des Rohrelements R, Material zu dem im zweiten
Verfahrensschritt umzuformenden Bereich 10 nachzuschieben.
Hierzu ist es vorgesehen, während
des Aufweitvorgangs den Dorn 3 in Richtung zu der zweiten
Matrize 4 hin zu bewegen. Um einen Transport von Rohrelementwerkstoff
bzw. Material zu dem umzuformenden Bereich 10 mittels des
Dorns 3 zu erhalten, hat der Dorn 3 hierzu eine
besondere Oberflächenstruktur,
die zu einem „Mitnahmeeffekt" des Rohrelementwerkstoff bzw.
des Materials innerhalb der Rohrwahndung führt. Hierzu ist vorgesehen,
eine das Rohrelement R berührende
Außenfläche 15 des
Dorns 3 entsprechend rauh auszubilden. Eine entsprechende
Bewegung des Dorns 3 führt
dann in der Aufweitphase zu einem Materialtransport in Richtung
Rohrende 9. Es kann der Dorn 3 entlang seiner
axialen Erstreckung komplett und zumindest teilweise mit einer rauhen Außenfläche 15 ausgebildet
sein. Durch den Materialtransport lässt sich das Schrumpfen der
Rohrwandung 9 bzw. der Wandstärkenschwund infolge des Aufweitens
vorteilhafterweise vollständig
ausgleichen. Es ist ferner möglich,
eine gewisse Materialanhäufung 12 am
Rohrende 9 zu erhalten, die vorteilhaft für den anschließenden Umformvorgang
des umzuformenden Bereichs 10 ist.
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Anstelle
oder zusätzlich
zu einer Aufrauhung der Außenfläche 15 des
Dorns 3 ist es möglich,
diesen mit einer umlaufenden Nut 14 oder mit mehreren Nuten
und/oder Kerben zu versehen. So kann während der Bewegung des Dorns 3 in
der Aufweitphase Material zunächst
die Nut 14 ausfüllen,
um anschließend
weiteres Material in Richtung Rohrende 9 quasi mitzureißen. Die
Nut 14 ist z.B. axial etwa in der Mitte des Rohrelements
R am Dorn 3 aus der Außenfläche 15 ausgenommen,
so dass noch genügend
Raum für eine
Verschiebung des Dorns 3 nach rechts zur zweiten Matrize 4 hin
während
der Aufweitphase vorliegt. Die Verschiebegeschwindigkeit des Dorns
ist entsprechend zu wählen.
Die Verschiebung des Dorns 3 kann kontinuierlich oder auch
in mehreren kurzen Intervallen erfolgen.
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Eine
andere Möglichkeit
einen Materialtransport in Richtung Rohrende 9 zu bewirken,
ist in 2 dargestellt. Die Stirnfläche 7 am linken Ende 6 des Rohrelements
R wird von einem Ring oder einer Hülse 17 stirnseitig
bedeckt. Ein in 1 fester Anschlag 8 innerhalb
der ersten Matrize 2 ist durch die Hülse 17 ersetzt. Über ein
nicht näher
dargestelltes Presswerkzeug kann ein neben der Gegenkrafterzeugung
zur von der zweiten Matrize 4 aufgebrachten Stempelkraft
P2 zum Aufweiten des Rohrendes 9 auch noch eine die Gegenkraft
P2 übersteigende
Axialpresskraft P1 aufgebracht werden, um so einen beweglichen Anschlag 8' zu erhalten.
Der bewegliche Anschlag 8' bzw.
das kurzzeitige Verschieben der Hülse 17 in Richtung
der zweiten Matrize 4 während des
Aufweitvorgangs führt
dann zu einer Materialwelle, die ebenfalls einen Materialtransport
in Richtung des Rohrendes 9 bewirkt, welcher dann dem Wandstärkenschwund
aufgrund der Aufweitung des Rohrendes 9 entgegenwirkt und
zu einem Materialüberschuss 12 am
Rohrende 9 führen
kann. Denkbar ist auch, den durch die Hülse 17 gebildeten
beweglichen Anschlag 8' mit
den Maßnahmen
zum Materialtransport gemäß 1,
und zwar der rauhen Oberflächenstruktur
des Dorns 3 und/oder der Nut 14 usw. zu kombinieren.
Hierzu wäre dann
noch ein weiteres Presswerkzeug angreifend am Dorn 3 vorsehbar.
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In 3 ist
die endgültige
Formgebung des gestrichelt angedeuteten, aufgeweiteten Rohrendes 9 gezeigt,
das dann beispielsweise die Form eines abgestuften Flansches aufweist,
der faltenfrei verdickt ist. Um dies zu erreichen, ist ein zweiter
Verfahrensschritt vorgesehen, der darin besteht, das nach dem ersten
Verfahrensschritt aufgeweitete Rohrende 9 in seine endgültige, an
der ersten Matrize 2 anliegende Form zu bringen. Hierzu
ist eine dritte Matrize 5 vorgesehen, welche nun als Stempel,
ggf. in derselben Einspannung des Rohrelements R, das abgebogene
Rohrende 9 in eine beliebige Form nachprägt. Vorteilhaft
ist es dabei, wenn das Rohrende 9 über eine Materialanhäufung 12 verfügt, um bestimmte Endformen
mit ausreichendem Material an bestimmten Stellen herstellen zu können.
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Denkbar
für das
Endstück 9 bzw.
die Endform sind neben der dargestellten abgestuften Form auch dicke
Endflansche oder dünnwandige
Flansche mit großem
Durchmesser. Das Endstück
kann aber auch Verdickungen zum Aufbringen von stirnseitigen oder
radialen Verzahnungen, Rändeln
usw. und Verstärkungen
zum Anschweißen
von Hebeln usw. aufweisen. Hierzu sind entsprechende Profilierungen
an der dritten Matrize 5 vorsehbar.
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Zur
Realisierung des Aufweitvorgangs des Rohrendes 9 sowie
zum Umformen in seine Endform mittels der dritten Matrize 5 ist
es vorgesehen, das Rohrelement R lokal in seinem endseitigen Bereich 9, 10 oder
insgesamt mittels der Heizeinrichtung auf eine Temperatur von beispielsweise
ca. 700°C
zu erwärmen
und rasch in das Umformwerkzeug 1 einzusetzen. Das Umformverfahren
kann jedoch grundsätzlich
kalt, halb warm oder warm durchgeführt werden. In einem modifizierten
Ausführungsbeispiel kann
das Rohrelement R mit einem Temperaturprofil beaufschlagt werden,
das an unterschiedlichen, axial und/oder radial voneinander beabstandeten
Stellen des Rohrelements R unterschiedliche Temperaturen vorsieht.
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Mit
dem dargestellten Verfahren lassen sich spanlos und faltenfrei besonders
breite, d. h. in axialer Richtung und gegebenenfalls auch in radialer Richtung
ausgedehnte Verdickungen an Rohr- und/oder Stangenelementen schaffen.
Derartige Verdickungen sind besonders stabil bei dynamischen Belastungen
eines solchermaßen
gefertigten Maschinenelements und lassen sich mit hoher Genauigkeit
herstellen. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur
Herstellung von hohlen oder teilweise hohlen Wellen oder dergleichen.
Mögliche
Anwendungen bieten sich im Automobilbereich, z.B. bei Getriebewellen,
Antriebswellen, Nockenwellen, Fahrwerksteilen, aber auch in der Bau-
und Rohrleitungstechnik allgemein.