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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Kerbe oder
einer kerbähnlichen Vertiefung in ein einen Hohlraum oder
eine Kammer aufweisendes Werkstück aus Metall im Wege eines Druckumformvorganges.
Ferner betrifft die Erfindung ein Werkzeug zum Einbringen einer
Kerbe oder kerbähnlichen Vertiefung in ein einen Hohlraum
oder eine Kammer aufweisendes Werkstück aus Metall im Wege
eines Druckumformvorganges.
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Bei
bestimmten zu montierenden Gegenständen, wie beispielsweise
bei Kopfstützen in einem Kraftfahrzeug werden diese durch
Festsetzen zylindrischen Rohrabschnitte festgelegt. Die festzulegenden
Rohrabschnitte verfügen über Einkerbungen, in die
zum Verriegeln ein als Riegel dienendes Element eingreift. Dieses
kann beispielsweise der Schenkel eines Federelementes sein. Derartige
Verriegelungsanordnungen werden zur Montage bei unterschiedlichen
Gegenständen, beispielsweise zum Montieren von Kopfstützen
in der Rückenlehne der Rücksitze eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt. Gemäß einem herkömmlichen
Verfahren werden in die beiden zu verankernden Rohrabschnitte Einkerbungen
im Wege eines Einpressvorganges eingebracht. Bei diesem Verfahren
wird ein als Meißel ausgebildetes Einpresswerkzeug auf
einer radialen Bewegungsbahn bezogen auf die Längsachse
des Rohrabschnitts an derjenigen Stelle des Rohres abgesenkt, in
das die Einkerbung eingebracht werden soll. Zum Durchführen
dieses Verfahrens ist es, um ein Eindrücken der Rohrwand
auf den Bereich der gewünschten Kerbenausbildung zu beschränken,
notwendig, dass zum Abstützen der Wandbereiche des Rohres,
die nicht zur Ausbildung der Kerbe umgeformt werden sollen, in das
Rohrinnere Widerlagerstäbe angeordnet werden.
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Die
in einen solchen Rohrabschnitt einzubringenden Kerben sollen die
Rohrwand nicht durchtrennen. Der Tiefe einer auf diese Weise in
eine Rohrwandung eingebrachten Kerbe sind Grenzen gesetzt, und zwar
dadurch, dass bei einer zu großen Eindrucktiefe der eingedrückte
Wandabschnitt von den angrenzenden Wandbereichen des Rohres abreißt.
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Nachteilig
ist bei diesem vorbekannten Verfahren ferner, dass die ausgebildete
Kerbe oder Nut einfallende Flanken, vor allem im Bereich des Übergangs
von der Rohrwandung in die Kerbe oder Nut aufweist. Bedingt durch
die einfallenden Flanken und die nur begrenzte Tiefe, mit der eine
solche Kerbe ausgebildet werden kann, kann ein darin eingreifendes,
zum Festsetzen des Rohrabschnitts dienendes Riegelelement bei Anlegen
einer entsprechenden, auf den Rohrabschnitt wirkenden Auszugskraft
das Riegelelement aus der Kerbe herausbewegt und damit der Rohrabschnitt
aus seiner Verankerung gelöst werden. Dieses ist jedoch
mitunter unerwünscht.
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Aus
EP 1 710 035 A1 ist
ein weiteres Verfahren bekannt geworden, Kerben der vorgenannten
Art in zylindrische Körper einzubringen. Gemäß dem
in diesem Dokument beschriebenen Verfahren wird die Kerbe mit einem
bestimmten Sägeprozess in das Rohr eingebracht. Zwar lassen
sich beim Sägen die bei dem vorbeschriebenen Eindrückprozess
entstehenden geneigten bzw. gekrümmten Einfallflanken vermeiden,
jedoch wird die unausweichliche Spanbildung beim Sägen
aufgrund der damit einhergehenden Verletzungsgefahr als nachteilig
angesehen. Dieses Verfahren lässt sich überdies
nur bei solchen zu verankernden zylindrischen Gegenständen
einsetzen, die eine ausreichende Wandstärke aufweisen,
damit durch den Sägevorgang die Wand des festzusetzenden
Rohrkörpers nicht durchtrennt wird. Bei dünnwandigen
Rohrabschnitten kann dieses Verfahren zum Einbringen der gewünschten
Nuten oder Kerben daher nicht eingesetzt werden.
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Aus
DE 299 15 103 U1 ist
eine Vorrichtung zum Einbringen einer Vertiefung in ein Werkstück
bekannt. Diese Vorrichtung verfügt über ein Werkzeug mit
einem zumindest bereichsweise keilförmig ausgestalteten
Werkzeug. Dieses Werkzeug, welches in diskreten Schritten in tangentialer
Richtung zu der Längsachse des Rohres, in welches die Kerbe
eingebracht werden soll, bewegt wird, wird durch eine hammerartig
wirkende Presseinrichtung, die in radialer Richtung zum Rohr wirkt,
von der Mantelfläche des Rohres in radialer Richtung in
dieses eingehämmert. Im Zuge des fortlaufenden Hammerprozesses wird
das sukzessive eine größere Breite aufweisende keilförmige
Werkzeug in tangentialer Richtung zu dem Rohr bewegt, so dass sukzessive
breitere Bereiche des Werkzeuges in die Oberseite des Rohres eingepresst
werden. Somit erfolgt ein Einbringen einer Kerbe gemäß dieser
vorbekannten Vorrichtung letztendlich in derselben Art und Weise
wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik mit dem Unterschied,
dass das Einbringen der Kerbe durch eine Vielzahl einzelner Einpressvorgänge
mit sukzessive breiter werdendem Werkzeug durchgeführt wird.
Durch das tangentiale Bewegen des Werkzeuges brauchen die Flanken
einer solchen Kerbe nicht einfallend zu sein, sondern können
etwa rechtwinklig zur Mantelfläche des Rohres verlaufen.
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Bei
den vorbekannten Verfahren zum Einbringen einer Kerbe oder einer
kerbähnlichen Vertiefung in ein Werkstück aus
Metall durch einen Druckumformprozess bildet sich am Übergang
von der Mantelfläche des Werkstückes zu den Flanken der
Kerbe ein gekrümmter Abschnitt aus. Dieser gekrümmte Übergang
von der Mantelfläche des Rohres in die Flanke weist mitunter
einen zu großen Radius auf, um in der ausgebildeten Kerbe
ein darin eingreifendes Riegelelement sicher halten zu können.
Dieses ist dann der Fall, wenn die Kerbe nur eine relativ geringe
Tiefe aufweist und somit das in die Kerbe eingreifende Riegelelement
bereits an der Krümmung des Übergangs von Flanke
zu Mantelfläche angreift bzw. in Auszugsrichtung anliegt.
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Ausgehend
von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren dergestalt weiterzubilden,
dass mit diesem nicht nur Nuten oder Kerben mit zumindest einer
rechtwinklig zur äußeren Mantelfläche
verlaufenden Flanke erstellt werden können, sondern dass
der Übergang von der Mantelfläche des Werkstückes
zur Flanke der Kerbe einen möglichst kleinen Radius aufweist
und mit diesem Verfahren auch bei dünnwandigen Rohrabschnitten die
Nut oder Kerbe mit ausreichender Tiefe ausgebildet werden kann.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück
zum Einbringen einer solchen Kerbe oder kerbähnlichen Vertiefung
in ein Werkstück vorzuschlagen.
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Gelöst
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs
genanntes, gattungsgemäßes Verfahren, bei dem
der Schritt des Umformens im Wege eines Eindrückprozesses
durchgeführt wird, bei dem der Bereich des Werkstückes,
in dem die Kerbe oder Vertiefung eingebracht werden soll, gleichzeitig
sowohl in Längsrichtung der zu erstellenden Kerbe oder
Vertiefung als auch in Richtung zur Tiefe derselben umgeformt wird.
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Die
werkzeugbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein eingangs genanntes Werkzeug gelöst, bei dem das Werkzeug
als drehbar angetriebene Rolle ausgebildet ist und über
zumindest eine sich in Umfangsrichtung über weniger als
360° erstreckende, die Breite der ringförmigen
Mantelfläche der Rollen reduzierende Keilflächen
verfügt, welche Keilfläche sowohl in Rotationsrichtung
der Rolle als auch in Richtung zur Mantelfläche der Rolle
hin kontinuierlich verjüngt ist.
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Bei
diesem Verfahren erfolgt das Einbringen der Kerbe oder kerbähnlichen
Vertiefung in das Metallwerkstück im Wege eines Eindrückprozesses.
Bei diesem wird das Material des Werkstückes in demjenigen
Bereich, in dem die Kerbe oder Vertiefung eingebracht wird, durch
Drücken des Materials sowohl in Längsrichtung
der zu erstellenden Kerbe oder Vertiefung als auch in Richtung zur
Tiefe der Kerbe umgeformt. Der Umformprozess wird in einer Art und
Weise durchgeführt, dass das Umformen nach Art eines Knetens
des Metallmaterials durchgeführt wird. Dieses hat zum Vorteil,
dass der Umformprozess präzise durchgeführt wird,
wobei das gedrückte Material Gelegenheit erhält,
insbesondere in Richtung der Tiefe der einzubringenden Kerbe auszuweichen.
Durch die knetartige Verformung des Materials kann Wandmaterial
in das Innere des beispielsweise als Rohrstück ausgebildeten
Werkstückes eingedrückt werden, und zwar in einem
solchen Ausmaß, dass die Tiefe der Kerbe bzw. der kerbähnlichen
Vertiefung größer ist als die Wandstärke
des Rohres. Die mit einem solchen Verfahren in ein Werkstück
eingebrachte Kerbe besticht durch einen minimalen Radius im Bereich des Übergangs
von Mantelfläche des Werkstückes zur Flanke der
Kerbe. Daher können mit diesem Verfahren Kerben mit ausreichender
Tiefe auch in dünnwandige Rohrstücke eingebracht
werden, etwa solche mit einer Wandstärke von 1,5 mm.
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Das
zum Einbringen einer solchen Kerbe dienende Werkzeug ist als Rolle
ausgebildet. Die zumindest eine Keilfläche der Rolle, durch
die die Breite der ringförmigen Mantelfläche der
Rolle im Bereich der Keilfläche reduziert ist, wirkt bei
einer Rotation der Rolle in zwei Richtungen als Keil, und zwar in
tangentialer Richtung zudem zu bearbeitenden Werkstück
bzw. in Rich tung der Längsachse der zu erstellenden Kerbe
sowie in Richtung zur Tiefe der zu erstellenden Kerbe. Somit erfolgt
ein Umformen des Bereiches des Werkstückes, in dem die
Kerbe eingebracht werden soll, unter Verwendung eines solchen Werkzeuges
in den vorgenannten Richtungen bzw. in einer Resultierenden daraus
gleichzeitig. Die als Werkzeug dienende Rolle ist motorisch angetrieben. Der
Einstich mit dem Werkzeug in das Werkstück beginnt an einem
Abschnitt der Rolle, in dem die Breite der Rolle durch die Keilfläche
am geringsten ist. Damit dient die verjüngte Breite der
Rolle als Einschnitthilfe. Infolge der Rotation der Rolle wird sowohl
in Umfangsrichtung als auch in Richtung zur Drehachse die dicker
werdende Rolle in das Werkstück eingedrückt. Durch
das sukzessive Breiter werden bzw. Dicker werden der Rolle in Umfangsrichtung
wird die zu erstellende Kerbe auf ihre Nennweite gebracht. Das seitlich
in translatorischer Richtung hierdurch weggedrückte Material
wird durch die Neigung der Keilfläche zur Achse der Rolle
sodann in Richtung zum Tiefsten der Kerbe weggedrückt.
Dieses erklärt, weshalb mit diesem Werkzeug der Radius
im Übergang zwischen der Mantelfläche zwischen
des Werkstückes und einer Flanke der Kerbe nur einen äußerst geringen
Radius aufweist. Im Unterschied zu anderen Verfahren oder Vorrichtungen
erfolgt bei Verwendung dieses Werkzeuges und dem beanspruchten Verfahren
kein Aufwerfen von Material am Übergang zwischen der Flanke
und der Mantelfläche des Werkstücks. Sämtliches
Material wird zum Einbringen der Kerbe oder der kerbähnlichen
Vertiefung in Richtung zum Tiefsten der Kerbe gedrückt.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es
zeigen:
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1:
eine schematisierte Darstellung eines Werkzeuges und Vorganges zum
Einbringen einer Kerbe in ein Rohrstück,
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2:
eine Draufsicht auf die Anordnung der 1,
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3:
eine Stirnseitenansicht des Werkzeuges der 1 in einer
ersten Stellung des Werkzeuges gegenüber dem Rohrstück
beim Einbringen der Kerbe,
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4:
eine Darstellung entsprechend derjenigen der 3 mit dem
in das Rohrstück eingreifenden Werkzeug in einer weiteren
Stellung des Werkzeuges gegenüber dem Rohrstück
und
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5:
einen Querschnitt durch die in das Rohrstück der 1 eingebrachte
Kerbe.
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Eine
im Übrigen nicht näher dargestellte Werkzeugmaschine
verfügt über eine Keilrolle 1 als Werkzeug.
An die Keilrolle 1 sind beidseitig Lagerschenkel 2 angeformt.
Die Keilrolle 1 ist grundsätzlich in beide Richtungen
drehbar motorisch angetrieben. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Keilrolle 1 entsprechend
dem auf der Seitenfläche 3 der Keilrolle 1 aufgebrachten
Pfeil angetrieben. Die Keilrolle 1 verfügt über
eine kreisrunde Mantelfläche. In die Seitenfläche 3 – gleiches
gilt für die gegenüberliegende und in 1 nicht
sichtbare Seitenfläche – sind zwei Keilflächen 5, 6 eingebracht.
Die Keilfläche 5 – gleiches gilt für
die Keilfläche 6 – reduziert die Dicke
der Keilrolle 1 mit einem linearen Verjüngungswinkel.
Dieser beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wenige Grad. Die Stelle, an der die Breite der Keilrolle 1 durch
die Keilfläche 5 am stärksten verjüngt
ist, ist in 1 mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.
An dieser Stelle 7 weist die Keilfläche 5 ihre
größte radiale Erstreckung auf. Ausgehend von
der Stelle 7, an der die Keilrolle 1 ihre geringste
Stärke innerhalb des Bereiches der Keilfläche 5 aufweist,
vergrößert sich die Stärke der Keilscheibe sukzessiv
in Drehrichtung der Keilrolle 1 zu ihrem Ende 8 hin.
In Rotationsrichtung der Keilrolle 1 gesehen weist die
Keilrolle 1 somit hinter dem Ende 8 in dem mit
dem Bezugszeichen 9 in 1 gekennzeichneten
Bereich ihre maximale Breite bzw. Stärke auf. In Umdrehungsrichtung
der Keilrolle 1 gesehen schließt sich dann an
den Bereich 9 der Beginn der Keilfläche 5' an.
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Aus
der Draufsicht der Keilrolle 1 der 2, die diese
in einer um 45° in der in 1 gezeigten Drehrichtung
gedrehten Stellung zeigt, in der nunmehr die Stelle 7 der
geringsten Breite der Mantelfläche 4 der Keilrolle 1 sich
im oberen Scheitel befindet. Erkennbar ist aus der Draufsicht die
sukzessive Vergrößerung der Breite der Mantelfläche 4 und
somit die Wirkung der Keilfläche 5. 2 zeigt,
dass die in 1 nicht erkennbare Seitenfläche 3' gleichfalls eine
Keilfläche 5' trägt. Die Keilrolle 1 weist
so mit an ihren beiden Seitenflächen 3, 3' in
einer spiegelsymmetrischen Anordnung zur Mittellängsebene
gleiche Keilflächen auf.
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Die
motorisch angetriebene Keilrolle 1 ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in tangentialer Richtung zu einem als
Werkstück dienenden Rohrstück 10 verfahrbar.
Das Rohrstück 10 ist in nicht näher dargestellter
Art und Weise ortsfest gegenüber der Keilrolle 1 eingespannt
gehalten. In das Rohrstück 10 soll eine Kerbe
eingebracht werden. Die Bewegungsbahn der Mantelfläche 4 der
Keilrolle 1 infolge ihres tangentialen Vorschubes ist mit
dem Bezugszeichen 11 kenntlich gemacht.
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Zum
Einbringen der gewünschten Kerbe in das Rohrstück 10 wird
die Keilrolle 1 rotatorisch angetrieben, und zwar mit einer
nur geringen Drehzahl von beispielsweise 25–50 U/min. Gleichzeitig
wird der Vorschub betätigt, mit dem die Keilrolle 1 in
tangentialer Richtung auf das Rohrstück 10 verfahren wird.
Gelangt die rotierende Keilrolle 1 in Kontakt mit der Oberfläche 12 des
Rohrstücks 10 wird durch die Schmalstellen 6 ein
erster Einstich vorgenommen. Im Zuge der Rotation der Keilrolle 1 und
dem gleichzeitigen Vorschub entlang der Bewegungsbahn 11 wird bei
diesem Vorgang das Material des Rohrstücks 10 im
Bereich der zu erstellenden Kerbe knetartig umgeformt und von der
Mantelfläche 12 des Rohrstücks 10 in
Richtung zu dem Inneren des Rohrstücks 10 verdrängt
und weggedrückt. Infolge der Rotation der Keilrolle 1 gelangt
sukzessive ein breiterer Abschnitt der Mantelfläche 4 der
Keilrolle 1 in den ersten Einstich ein, bis die vollständige
Breite der zu erstellenden Kerbe ausgebildet ist, nämlich
dann, wenn die Keilrolle 1 mit dem Bereich 9 der
größten Breite der Mantelfläche 4 in
die bereits ausgebildete Kerbe eingepresst wird. Infolge der in 1 vorgesehenen Drehrichtung
der Keilrolle 1 wird ein Materialfluss von der Mantelfläche 12 in
Richtung zum Inneren des Rohrstücks 10 begünstigt.
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3 zeigt
in einem Ausschnitt die Keilrolle 1, die mit ihren Keilflächen 5, 5' in
eine in der Entstehung begriffene Kerbe des Rohrstücks 10 eingreift. Die
Drehrichtung der Keilrolle 1 ist durch den Pfeil angegeben. 4 zeigt
die Keilrolle 1 der 3, nachdem
diese um etwa 90° weiterbewegt worden ist, und zwar in
einer Stellung, in der die Keilrolle 9 mit der größten
Breite ihrer Mantelfläche 4 in die in die Mantelfläche 12 des
Rohrstücks 10 eingebrachte Kerbe eingreift.
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Die
Drehgeschwindigkeit der Keilrolle 1 und der Vorschub derselben
quer zur Längsachse des Rohrstücks 10 sind
aufeinander und auf das Material und die Geometrie des Werkstückes
angepasst, in das die Kerbe eingebracht werden soll.
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5 zeigt
die in das Rohrstück 10 im Wege des vorbeschriebenen
Vorganges eingebrachte Kerbe 15. Die Darstellung ist einem
Anschliff nachgezeichnet. Die Darstellung macht deutlich, dass zum einen
ein scharfer Rand zwischen der Mantelfläche 12 und
den Flanken 13, 14 der in das Rohrstück 10 eingebrachten
Kerbe 15 gegeben ist. Deutlich erkennbar ist auch, dass
infolge des Umformvorganges das zur Ausbildung der Kerbe 15 weggedrückte
Material in das Innere des Rohrstücks 10 hineingedrückt worden
ist, und zwar ohne dass ein Abriss zwischen dem nach Innen gedrückten
Material und den nicht ungeformten Wandbereichen des Rohrstücks 10 eingetreten
wäre.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel war die Drehgeschwindigkeit
der Keilrolle 1 dergestalt eingestellt, dass zum Einbringen
der Kerbe 15, wie in 5 dargestellt,
5–8 Umdrehungen der Keilrolle 1 vorgesehen waren,
um unter Berücksichtigung des Vorschubs die Kerbe 15 über
die gesamte tangentiale Erstreckung in das Rohrstück 10 einzubringen.
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Die
in den Figuren dargestellte Kerbe stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel
dar. In Abhängigkeit von der Gestaltung der Keilrolle,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 2 parallele
Seitenflächen 3, 3' aufweist, kann diese
auch geneigte Seitenflächen aufweisen. Es lassen sich geneigte
Flanken ausbilden oder auch Kerben, deren eine Flanke geneigt ist,
währen die andere, wie in 5 dargestellt, rechwinklig
zur Mantelfläche 12 des Rohres angeordnet ist.
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Die
vorbeschriebene Kerbenausbildung lässt sich gleichermaßen
erzielen, wenn die Keilrolle in radialer Richtung zu dem Werkstück,
bei dem es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
um ein Rohrstück handelt, bewegt wird. Bevorzugt wird jedoch
ein Vorschub der Keilrolle in tangentialer Richtung, wie dieses
in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich zum Einbringen von
Kerben oder kerbähnlichen Vertiefungen in solche Werkstücke,
die einen Hohlraum, wie anhand eines Werkstückes 10 beispielhaft
dargestellt oder eine Kammer aufweisen, wie beispielsweise ein U-Profil.
Zum Einbringen der Kerbe ist es erforderlich, dass Raum vorhanden
ist, in das das zunächst in dem Bereich der zu erstellenden Kerbe
befindliche Material hineingedrückt werden kann.
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- 1
- Keilrolle
- 2
- Lagerschenkel
- 3,
3'
- Seitenfläche
- 4
- Mantelfläche
- 5,
5'
- Keilfläche
- 6
- Keilfläche
- 7
- Stelle
- 8
- Ende
- 9
- Bereich
- 10
- Rohrstück
- 11
- Bewegungsbahn
- 12
- Mantelfläche
- 13
- Flanke
- 14
- Flanke
- 15
- Kerbe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1710035
A1 [0005]
- - DE 29915103 U1 [0006]