DE102007046870A1

DE102007046870A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umformung eines Stangenmaterials

Info

Publication number: DE102007046870A1
Application number: DE102007046870A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hermes; Bastian Kurze
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-09
Also published as: EP2203264A1; ES2365448T3; WO2009043500A1; ATE507015T1; DE502008003376D1; EP2203264B1; SI2203264T1

Abstract

Verfahren und Vorrichntung zum Umformen eines Stangematerials (1), wobei das Stangenmaterial (1) mit einem ersten Durchmesser (3) zunächst zu einem in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial (1) umlaufenden Umformwerkzeug (2) zugeführt, dort durch das umlaufende Umformwerkzeug (2) hin zu einem kleineren zweiten Durchmesser (11) reduziert und dann durch eine, dem Umformwerkzeug (2) nachgeordnete Ablenkvorrichtung (4) gebogen wird, wobei das Biegen des Stangenmaterials (1) im Bereich einer Einflusszone (5) des Umformwerkzeugs (2) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines Stangenmaterials sowie ein Stangenmaterial, wobei einerseits eine Reduzierung des Querschnitts erfolgt und zusätzlich noch eine Biegung des Stangenmaterials durchgeführt wird.
Zum Biegen eines Stangenmaterials ist es bisher erforderlich, das Biegemoment in das Profil durch entsprechende Querkräfte mit einer Biegevorrichtung oder Maschine einzuleiten. Dadurch entsteht eine entsprechende Spannungsverteilung im Querschnitt, die das Material des Profils zum Fließen bringt und somit eine Krümmung erzeugt. Da bei diesem Prozess insbesondere bei dünnwandigen Rohren der Querschnitt zur Deformation neigt, wird häufig der Innenquerschnitt mit einem Dorn oder einer Füllung gestützt. Gängige, hierzu bekannte Verfahren sind das Drei-Rollen-Biegen und das klassische Rohrbiegen oder Rundbiegen.
Die heute bekannten Rohrbiegeverfahren sind im Allgemeinen mit hohen Werkzeugkosten verbunden, da die Biegewerkzeuge auf das jeweilige Werkstück angepasst und insbesondere auf den jeweiligen Rohrdurchmesser speziell eingestellt werden müssen. Die zu biegenden Radien oder Konturen werden dabei jeweils durch das Werkzeug abgebildet.
Des Weiteren muss bei den bekannten Verfahren eine Rückfederung des gebogenen Werkstücks beachtet werden, um dieses auszugleichen. Dies ist ebenfalls in Folge von Chargenschwankungen des Ausgangsmaterials sehr schwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch die insbesondere dünnwandige Stangenmaterialien, wie z. B. Rohre, sowie auch Stangenmaterialien mit neuartigen hochfesten Werkstoffen einfach, genau und kostengünstig umformbar sind.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie mit einem Stangenmaterial gemäß Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Vorliegend wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Umformen eines Stangenmaterials gelöst, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:

a) Zuführen des Stangenmaterials mit einem ersten Durchmesser zu einem in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial umlaufenden Umformwerkzeug,
b) Reduzieren des ersten Durchmessers des Stangenmaterials durch das umlaufende Umformwerkzeug hin zu einem kleineren zweiten Durchmesser,
c) Biegen des Stangenmaterials durch eine, dem Umformwerkzeug nachgeordnete Ablenkvorrichtung,

Durch das hier beanspruchte Verfahren kann ein Stangenmaterial eben (einfach) oder räumlich (komplex) gebogen werden mit der Möglichkeit gleichzeitig den Durchmesser bzw. die Dicke des Werkstücks entlang seiner Längsachse während des Biegens zu verändern. Das Stangenmaterial ist während des Umformprozesses insbesondere gegen Verdrehen gesichert.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere metallische Stangenmaterialien, also z. B. langgestreckte, geschlossene oder offene Profile oder Rundkörper, Hohlprofile oder Rohre. Üblicherweise hat das Stangenmaterial eine Länge, die deutlich größer als der Durchmesser ist, insbesondere bei Drahtähnlichem Stangenmaterial kann ggf. auch von einem Endlosprofil gesprochen werden.
Das Stangenmaterial wird dabei in einem Schritt a) mit seinem ersten Durchmesser (Ausgangsdurchmesser oder vergleichbare Erstreckungsangabe) zu einem Umformwerkzeug zugeführt, wobei das Umformwerkzeug in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial herum rotiert und dabei auf dem Außenumfang des Profils insbesondere abrollt. Mit anderen Worten heißt das beispielsweise auch, dass das Umformwerkzeug auf einen Abschnitt der Umfangsfläche des Stangenmaterials Kräfte ausübt, die eine (gleichmäßige) Durchmesserreduzierung ermöglichen.
Das Stangenmaterial weist dabei in seinem durch das Verfahren noch unbearbeiteten Zustand einen ersten (mittleren) Durchmesser auf, der durch seine jeweilige Außenkontur vorgegeben ist, die durch das umlaufende Umformwerkzeug in einem Schritt b) reduziert wird.
Grundsätzlich können auch mehrere Umformwerkzeuge hintereinander, insbesondere koaxial, angeordnet werden, so dass ein erster Durchmesser des Stangenma terials mehrfach reduziert werden kann, bevorzugt ist jedoch im Hinblick auf einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung ein einstufiges Reduzieren des Durchmessers.
Gegebenenfalls wird bei Hohlkörpern neben dem Durchmesser gleichzeitig die Wanddicke durch das Umformwerkzeug geändert.
Dem umlaufenden Umformwerkzeug (Umformprozess) nachgeordnet ist eine Ablenkvorrichtung, die ein Biegen des Stangenmaterials ermöglicht (Biegeprozess). Dabei kann die Ablenkvorrichtung als Matrize geformt sein, durch die sich das Stangenmaterial erstreckt. Die Ablenkvorrichtung kann aber auch als Stift, als Winkel oder ähnliches ausgebildet sein. Bevorzugt ist, dass das Biegen mit einem konstanten Biegegrad während des hier vorgeschlagenen Verfahrens durchgeführt wird.
Das in dem Schritt c) vorgenommene Biegen des Stangenmaterials erfolgt dabei im Bereich einer Einflusszone des Umformwerkzeugs, die durch die lokale plastische Verformung des Materials des Stangenmaterials durch das Umformwerkzeug gekennzeichnet ist. Infolge der Umformung mit einhergehender Reduzierung des Durchmessers bzw. der Wanddicke des Stangenmaterials durch das Umformwerkzeug wird der Werkstoff des Stangenmaterials lokal plastisch verformt. Durch den damit eingebrachten Spannungszustand wird das gleichzeitige Biegen begünstigt, so dass insbesondere nur geringe Biegekräfte durch die Ablenkvorrichtung aufzuwenden sind. Mit anderen Worten kennzeichnet die Einflusszone den Bereich des Stangenmaterials, der zu einem bestimmten Zeitpunkt lokal plastisch verformt wird, in dem das Material also fließt, so dass eine weitere Umformung des Materials zum Beispiel durch Biegen mit geringem Kraftaufwand möglich ist.
Je nach Art der Reduzierung des Durchmesser kann der Einflussbereich sich hinter dem Umformwerkzeug zeitlich unterschiedlich lang aufrecht erhalten, so dass durch die Zuführgeschwindigkeit und die Krafteinwirkung des Umformwerkzeugs der Einflussbereich (also die Strecke von der plastischen Verformung bis hin wieder zur Verfestigung) eingestellt werden kann.
Durch das vorgeschlagene Verfahren kann weiterhin eine definierte Verfestigung in den Werkstoff des Stangenmaterials eingebracht werden. Durch eine definierte Änderung der Drehzahl des Umformwerkzeuges um das Stangenmaterial bei konstanter Zuführgeschwindigkeit (Vorschub) des Stangenmaterials zum Umformwerkzeug, kann eine unterschiedliche Verfestigung an der betreffenden Stelle in der axialen Erstreckung des Stangenmaterials eingebracht werden. Das Stangenmaterial verfügt dann an diesen Stelle ohne wesentliche geometrische Änderungen, insbesondere ohne geometrische Änderungen, über eine erhöhte Festigkeit. Durch diese Ausprägung des Verfahrens lassen sich beispielsweise definierte Versagenszonen in ein Bauteil einbringen. Dies kann z. B. beim Crashverhalten eines Fahrzeuges von Bedeutung sein. Eine gleichzeitige Biegung des Stangenmaterials ist zur Erreichung dieser Eigenschaften nicht erforderlich aber möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Innenquerschnitt eines hohlen Stangenmaterials durch einen Dorn in wenigstens einem Teilbereich der Einflusszone des Umformwerkzeugs gestützt ist. Dabei wird der (freie) Innenquerschnitt des Stangenmaterials in wenigstens einem Teilbereich seiner Innenumfangsfläche abgestützt, so dass in einem Teilbereich der Einflusszone das hohle Stangenmaterial in seinem Innendurchmesser nur so weit durch das Umformwerkzeug reduziert wird, dass es wenigstens in einem Teilbereich auf dem Dorn aufliegt. Der Dorn erstreckt sich dabei nicht in den Teilbereich der Einflusszone des Umformwerkzeugs, in dem das hohle Stangenmaterial bereits durch eine Biegung verformt ist, so dass es nicht zu ungewollten Überschneidungen zwischen Dorn und Stangenmaterial in Folge der Biegung kommt. Der Dorn kann insbesondere auch bei mehreren aufeinanderfolgenden Umformstufen eingesetzt werden, so dass er sich insbesondere durch all diese Umformstufen hindurch erstreckt, die einen immer weiter reduzierten Innendurchmesser des Stangenmaterials erzeugen bzw. einen konstanten Innendurchmesser erhalten und nur den Außendurchmesser reduzieren bzw. die Wanddicke reduzieren. Durch die Dornform und die axiale Positionierung des Dorns kann der Einfluss des Umformwerkzeuges auf den Werkstoff mit gesteuert werden. So können z. B. bei einer Position des Dorns direkt unter den umformenden Komponenten des Umformwerkzeuges fast reine Druckspannungen erzeugt und somit eine Wandstärkenreduktion bewirkt werden. Bei einer Position des Dorns vor den umformenden Komponenten des Umformwerkzeuges kann eine Schub- bzw. inkrementelle Biegespannung innerhalb der Rohrwand erzielt werden, so dass die in den Werkstoff des hohlen Stangenmaterials eingebrachte Verfestigung verringert wird.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in Schritt c) ein Biegeradius eingestellt, der höchstens 5%, insbesondere höchstens 3%, von einem Krümmungsradius des gebogenen Stangenmaterials abweicht. Dabei ist mit Biegeradius der Radius gemeint, der in dem Verfahrensschritt c), z. B. durch einen Anlagenbediener, eingestellt wird. Wobei demgegenüber der angeführte Krümmungsradius den Radius des gebogenen Stangenmaterials bezeichnet, der am Endprodukt nachmessbar oder erzeugt ist. Der Krümmungsradius ist damit insbesondere um den Betrag der Rückfederung größer als der eingestellte Biegeradius.
Das Verfahren zeichnet sich nun auch dadurch aus, dass diese Rückfederung in Folge des Biegens während der plastischen Verformung des Materials durch das Umformwerkzeug sehr gering ausfällt. Dadurch ist ein genaues Biegen bzw. ein genaues Einstellen des Biegeradius möglich, so dass dieser insbesondere identisch mit dem endgültig erzeugten Krümmungsradius ist. Dabei lassen sich Krümmungsradien erzeugen, die insbesondere weniger als 2% und auch weniger als 1% von dem Biegeradius abweichen. Damit können Fehler bei der Abschätzung der Rückfederkompensation vermieden und besonders exakte Biegeprozesse verwirklicht werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens weist das Umformwerkzeug eine Rotationsgeschwindigkeit um das Stangenmaterial von 50 bis 3000 l/min [Umdrehungen pro Minute], auf. Die Rotationsgeschwindigkeit ist bevorzugt im oberen angegebenen Bereich zu wählen, um ein wirtschaftliches Verfahren bei akzeptablen Fliehkräften durchzuführen. Dabei können sich das gesamte Umformwerkzeug und/oder dessen (einzelne) Walzen mit dieser Rotationsgeschwindigkeit relativ um das Stangenmaterial herum bewegen.
Ein besonders schnell umlaufendes Umformwerkzeug überführt das Material in der Einflusszone des Umformwerkzeugs in einen Spannungszustand, bei dem der Werkstoff des Stangenmaterials schon teilweise oder ganz zum Fließen gebracht wird, so dass für den eigentlichen Biegeprozess keine hohen Kräfte mehr erforderlich sind und die Rückfederung zusätzlich verringert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Biegeradius (R_B) zu einem zweiten Durchmesser (D₂) in einem Bereich von 1 bis 5 liegt (5 ≥ R_B / D₂ ≥ 1), bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 3 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2. Dieses Verhältnis von eingestelltem Biegeradius R_B zu einem zweiten Durchmesser D₂, der den Außendurchmesser nach dem Umformen des Stangenmaterials beschreibt, ist eine Kenngröße für den erreichbaren Umformgrad der Biegung des Stangenmaterials.
Ferner ist es vorteilhaft, dass Stangenmaterial insbesondere auch aus hochfestem Werkstoff bearbeitet wird, z. B. aus hitzebeständigem Stahl, TRIP-Stahl (Transformation Induced Plasticity), Dualphasenstahl, Titan-Legierungen oder Aluminium-Legierungen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schritt b) mit variierender Umlaufgeschwindigkeit des Umformwerkzeuges durchgeführt, wobei insbesondere lokal begrenzte Teilbereiche des Stangenmaterials hinsichtlich der Materialeigenschaften beeinflusst werden, insbesondere verfestigt werden. Die Umlaufgeschwindigkeit wird dabei signifikant variiert, insbesondere um mehr als 10%, bevorzugt um mehr als 25% und besonders um mehr als 50% der vorliegenden Drehzahl. Bevorzugt ist, dass die Umlaufgeschwindigkeit zumindest einmal erhöht und einmal erniedrigt wird, insbesondere wieder auf einen Ausgangswert. Die Änderung kann dabei insbesondere sprunghaft erfolgen, um die gewünschten Materialeigenschaften mit hoher Trennschärfe in den einzelnen lokal begrenzten Teilbereichen zu erzeugen. Die weiteren Parameter, wie Zustellung des Umformwerkzeugs in radialer Richtung, Vorschub des Stangenmaterials, usw. können in vorteilhafter Weise diesen Effekt unterstützen und dementsprechend angepasst, bzw. variiert werden. Damit lassen sich beispielsweise Versagensstellen des Bauteils gezielt und definiert erzeugen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die sich die Erfindung ferner richtet, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Umformen eines Stangenmaterials geeignet ist, aufweisend

– wenigstens ein in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial umlaufendes Umformwerkzeug zur Reduzierung eines ersten Durchmessers des Stangenmaterials hin zu einem kleineren zweiten Durchmesser,
– eine Vorschubeinheit zum Erzeugen eines Vorschubs des Stangenmaterials gegenüber dem umlaufenden Umformwerkzeug und
– eine relativ zum Umformwerkzeug bewegbare Ablenkvorrichtung zum Biegen des Stangenmaterials.

Die hier beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des hier ebenfalls erfindungsgemäß beschriebenen Verfahrens. Auch deshalb kann zur Erläuterung der Funktion bzw. Betriebsweise der Vorrichtung auf die Erläuterungen zum beschriebenen Umformverfahren zurückgegriffen werden.
Mit „Vorrichtung" ist hier einerseits eine eigens für diesen Zweck errichtete Anlage gemeint, als auch ein Werkzeugsatz, der sich z. B. auf Drehvorrichtungen aufbauen lässt.
Zur Durchführung eines kombinierten Umform-Biege-Verfahrens weist die Vorrichtung eine Vorschubeinheit auf, die Stangenmaterial entweder durch das Umformwerkzeug hindurch drückt oder es durch das Umformwerkzeug hindurch zieht. Eine Kombination dieser beiden Ausprägungen ist ebenfalls möglich. Darüber hinaus hat die Vorrichtung (wenigstens ein) umlaufendes Umformwerkzeug. Dieses Umformwerkzeug kann vollständig oder teilweise (z. B. einzelne mit dem Stangenmaterial in Kontakt stehende Rollkörper) um das Stangenmaterial herum rotieren. Die Rotationsachse des Umformwerkzeuges liegt dabei bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Vorschubrichtung des Stangenmaterials im Bereich des Umformwerkzeuges, so dass eine Umformkraft auf dessen Querschnitt tangential und radial einwirken kann. Die Ablenkvorrichtung, die dem Umformwerkzeug in Vorschubrichtung nachgeschaltet ist, biegt das Stangenmaterial und hat zu diesem Zweck eine angepasste Aufnahme bzw. Führung für das Stangenmaterial. Es sei hier noch darauf hinzuweisen, dass ggf. zumindest zwei der hier angeführten Aggregate (Umformwerkzeug, Vorschubeinheit, Ablenkvorrichtung) miteinander kombiniert bzw. integriert ausgeführt sein können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung weist diese eine Steuerung auf, die insbesondere programmierbar ist oder einen direkten Eingriff möglich macht und durch die insbesondere alle Komponenten der Vorrichtung automatisiert ansteuerbar sind.
Insbesondere ist durch die Steuerung die Ablenkvorrichtung positionierbar. Dabei ist mit „Positionieren" insbesondere ein Verschieben im dreidimensionalen Raum hinter dem Umformwerkzeug gemeint, als auch ein Verdrehen der Ablenkvorrichtung um alle drei Raumachsen. Insbesondere lässt sich die Position der Ablenkvorrichtung während des Umformprozesses ansteuern und verändern. Somit ist auch eine Führung des noch ungebogenen aber bereits umgeformten Stangenmaterials nach dem Umformwerkzeug möglich, so dass eine zusätzliche Führung des Stangenmaterials zur Ablenkvorrichtung nicht zwingend erforderlich ist.
Die Steuerung ist weiterhin insbesondere dazu geeignet, wenigstens eine der folgenden Funktionen zu erfüllen: den Vorschub, die Rotationsgeschwindigkeit des Umformwerkzeuges und die Positionierung des Dornes zur Abstützung eines Innenquerschnittes anzusteuern, zu regeln oder zu positionieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine Umformwerkzeug ein rotierendes Drückwalzwerkzeug. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist dieses Drückwalzwerkzeug einen Grundkörper mit einer Ausnehmung auf, durch die das Stangenmaterial während des Prozesses hindurchgeführt wird. Weiter sind auf diesem Grundkörper mehrere Walzen angeordnet, die um ihre eigene Achse drehbar sind, und mit dem Stangenmaterial in Kontakt sind und so die Umformung des Stangenmaterials bewirken. Dabei können zumindest zwei aber auch mehr (z. B. 4, 5, 6, 8, 10) Walzen um das Stangenmaterial herum auf dem Grundkörper des Drückwalzwerkzeuges angeordnet sein. Die Walzen sind bevorzugt zylindrisch, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Die Walzen sind zudem regelmäßig selbst angetrieben. Die Achsen der Walzen sind insbesondere parallel zur Rotationsachse des Umformwerkzeuges angeordnet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Drückwalzwerkzeuges weist das rotierende Drückwalzwerkzeug radial zustellbare Walzen und die Vorrichtung insbesondere eine Steuerung insbesondere zum automatisierten Zustellen der Walzen auf. Die auf dem Grundkörper des rotierenden Drückwalzwerkzeugs angeordneten Walzen sind dabei auf dem Grundkörper des Drückwalzwerkzeugs radial zum umzuformenden Stangenmaterial zustellbar, oder auch entfernbar, so dass verschiedene Außenkonturen und/oder Grade der plastischen Verformung des Stangenmaterials erzeugbar sind. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Zustellung mit der Geschwindigkeit des Vorschubes zu koppeln, so dass Übergänge wie z. B. Radien oder Konizitäten beliebig angepasst werden können.
Weiterhin können die Walzen unterschiedliche Formen aufweisen. Sie können konisch geformt sein, zylindrisch oder auch sphärisch und insbesondere weitere beliebige Formen aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist diese einen Dorn auf, der wenigstens teilweise einen Innenquerschnitt des Stangenmaterials in wenigstens einem Teilbereich einer Einflusszone des wenigstens einen Umformwerkzeugs abstützt. Der Dorn ist regelmäßig gegenüber der Position des Umformwerkzeugs relativ verfahrbar und kann insbesondere in das Umformwerkzeug teilweise eintauchen.
Das erfindungsgemäße Stangenmaterial wird durch das erfindungsgemäße Verfahren oder durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt und weist mindestens eine Versagenszone auf. Diese Versagenszone wird insbesondere durch we nigstens eine lokal abweichend Materialeigenschaft des Stangenmaterials definiert, die insbesondere durch abgestimmte Verfahrensvarianten in das Stangenmaterial eingebracht werden. Diese lokal abweichenden Materialeigenschaften können dabei insbesondere über den gesamten, in axialer Erstreckungsrichtung des Stangenmaterials begrenzten, Umfang vorliegen, wobei insbesondere über den gesamten Querschnitt des Stangenmaterials (gegenüber anderen axialen Bereichen) abweichende Materialeigenschaften vorliegen. Dabei können auch Teilbereiche des Umfangs eines axialen Stangenmaterialabschnitts oder Teilbereiche des Querschnittes des Stangenmaterials lokal abweichende Materialeigenschaften aufweisen. Insbesondere ist das Stangenmaterial in diesen Bereichen besonders spröde ausgeführt, so dass durch diese Materialeigenschaft eine Versagensstelle definiert ist. Als Materialeigenschaft kommt insbesondere eine mechanische Eigenschaft in Betracht, ggf. wenigstens eine aus der Gruppe: Festigkeit, Härte, Duktilität, Gefügeaufbau, Verfestigung, Umformgrad, etc..
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine Vorrichtung während des Prozesses in perspektivischer Ansicht,
2: eine weitere Vorrichtung während des Prozesses in perspektivischer Ansicht,
3: eine Vorrichtung während des Prozesses in einer Aufsicht,
4: eine weitere Vorrichtung während des Prozesses in einer Aufsicht und
5: einen Querschnitt durch die Seitenansicht einer Vorrichtung.
1 zeigt hierbei die Vorrichtung 13 zum kombinierten Druckwalzen und Biegen eines Stangenmaterials 1 durch ein rotierendes Drückwalzwerkzeug 16, das hier als Umformwerkzeug 2 eingesetzt wird, mit drei Walzen 17, die um das, durch das Umformwerkzeug 2 durchgeführte, Stangenmaterial 1 herum drehbar angeordnet sind. Das Stangenmaterial 1 weist dabei einen ersten Durchmesser 3 vor dem Umformwerkzeug 2 auf und wird durch eine Vorschubeinrichtung 14 mit einem Vorschub 15 durch das Umformwerkzeug 2 hindurch gedrückt. Dabei wird der Durchmesser 3 des Stangenmaterials 1 in Folge des Umformprozesses durch das Umformwerkzeug 2 auf einen zweiten Durchmesser 11 nach dem Umformwerkzeug 2 reduziert. In Folge des Umformens durch die Walzen 17 wird das Material des Stangenmaterials 1 in der Einflusszone 5 des Umformwerkzeugs 2 teilweise (außen) plastisch verformt, so dass das Biegen des Stangenmaterials 1 mit geringeren Kräften möglich wird.
Die dem Umformwerkzeug 2 nachgeordnete Ablenkvorrichtung 4 wird derart eingestellt, gegebenenfalls durch eine Steuerung 18, dass ein Biegeradius 9 erzeugt wird. Dabei wird dieser Biegeradius 9 in der Steuerung 18 eingegeben oder an der Vorrichtung 13 eingestellt, wobei in Folge der Rückfederung des Stangenmaterials 1 nach dem Biegen ein Krümmungsradius 10 im erzeugten Endprodukt des Stangenmaterials 1 auftritt.
Die Steuerung 18 ist insbesondere für eine gemeinsame Steuerung wenigstens von Vorschubeinheit 14, Dreh- und Zustellgeschwindigkeit bzw. Zustellweg der Walzen 17, Drehgeschwindigkeit des Umformwerkzeugs 2 und Positionierung der Ablenkvorrichtung 4 geeignet. Dies ist in 1 durch die gestrichelten Verbindungslinien zwischen Steuereinheit 18 und den einzelnen Vorrichtungskomponenten dargestellt.
2 zeigt eine weitere Vorrichtung 13 in perspektivischer Ansicht, wobei die Rückseite des Umformwerkzeugs 2 mit den Walzenachsenaufnahmen 23 in dem Grundkörper 19 dargestellt ist. Die Ablenkvorrichtung 4 ist als Matrize ausgeführt, durch die sich das Stangenmaterial 1 erstreckt. Durch das Umformwerkzeug 2 wird der erste Durchmesser 3 des Stangenmaterials auf den zweiten Durchmesser 11 reduziert.
3 zeigt schematisch eine Aufsicht auf das Drückwalzwerkzeug 16, das im Wesentlichen aus einem Grundkörper 19 und, in diesem Fall, aus drei auf dem Grundkörper 19 drehbar angeordneten Walzen 17 besteht. Dabei rotiert das Drückwalzwerkzeug 16 mit seinem Grundkörper 19 und den Walzen 17 um das Stangenmaterial 1, das im Bereich vor dem Umformwerkzeug einen ersten Durchmesser 3 aufweist und im umgeformten Zustand nach dem Umformwerkzeug einen zweiten Durchmesser 11. Die Walzen 17 sind in dieser Ausführungsform in einer konischen Ausführung dargestellt, deren kleinerer Durchmesser mit dem ersten Durchmesser 3 des Stangenmaterials 1 in Eingriff kommt und deren größerer Durchmesser den umgeformten zweiten Durchmesser 11 des Stangenmaterials 1 erzeugt.
4 zeigt schematisch eine Aufsicht einer weiteren Vorrichtung 13, mit einem Walzdrückwerkzeug 16, im Wesentlichen bestehend aus einem Grundkörper 19 und darauf angeordneten Walzen 17, die durch Vorschubeinheiten eine Zustellbewegung 20 ausführen können. Während des Prozesses drehen sich der Grundkörper 19 in einer ersten Drehrichtung 21 um das Stangenmaterial 1 und die Wal zen in einer zweiten Drehrichtung 22, wobei die Walzen 17 auf dem Umfang des Stangenmaterials 1 abrollen.
5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Vorrichtung 13, wobei hier ein hohles Stangenmaterial 1 dargestellt ist, mit einem ersten Durchmesser 3 vor dem Umformwerkzeug 2 und einem Innenquerschnitt 6 und einer dementsprechenden Wandstärke 12. Das Stangenmaterial 1 wird im Bereich der Einflusszone 5 des Umformwerkzeugs 2 von dem ersten Durchmesser 3 auf den zweiten Durchmesser 11 reduziert, wobei ein Dorn 7 wenigstens in einen Teilbereich 8 der Einflusszone 5 des Umformwerkzeugs 2 eingeschoben ist, so dass in diesem Bereich das Stangenmaterial 1 mit seinem Innenquerschnitt 6 auf dem Dorn 7 abgestützt ist. In einem axial begrenzten Teilbereich des Stangenmaterials 1 wird durch entsprechende Veränderung einzelner oder mehrerer Verfahrensparameter eine Versagenszone 24 erzeugt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche möglich.

1: Stangenmaterial
2: Umformwerkzeug
3: Erster Durchmesser (D₁)
4: Ablenkvorrichtung
5: Einflusszone
6: Innenquerschnitt
7: Dorn
8: Teilbereich
9: Biegeradius (R_B)
10: Krümmungsradius (R_K)
11: Zweiter Durchmesser (D₂)
12: Wandstärke
13: Vorrichtung
14: Vorschubeinheit
15: Vorschub
16: Drückwalzwerkzeug
17: Walzen
18: Steuerung
19: Grundkörper
20: Zustellbewegung
21: Erste Drehrichtung
22: Zweite Drehrichtung
23: Walzenachsenaufnahme
24: Versagenszone

Claims

Verfahren zum Umformen eines Stangenmaterials (1) aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Zuführen des Stangenmaterials (1) mit einem ersten Durchmesser (3) zu einem in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial (1) umlaufenden Umformwerkzeug (2), b) Reduzieren des ersten Durchmessers (3) des Stangenmaterials (1) durch das umlaufende Umformwerkzeug (2) hin zu einem kleinerer zweiten Durchmesser (11), c) Biegen des Stangenmaterials (1) durch eine, dem Umformwerkzeug (2) nachgeordnete Ablenkvorrichtung (4), wobei das Biegen des Stangenmaterials (1) im Bereich einer Einflusszone (5) des Umformwerkzeugs (2) erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei ein Innenquerschnitt (6) eines hohlen Stangenmaterials (1) durch einen Dorn (7) in wenigstens einem Teilbereich (8) der Einflusszone (5) des Umformwerkzeugs (2) gestützt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt c) ein Biegeradius (9) eingestellt wird, der höchstens 5%, insbesondere höchstens 3%, von einem Krümmungsradius (10) des gebogenen Stangenmaterials (1) abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Umformwerkzeug (2) eine Rotationsgeschwindigkeit um das Stangenmaterial (1) von 50 bis 3000 U/min aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Verhältnis von Biegeradius (9) zu einem zweiten Durchmesser (11) im Bereich von 1 bis 5 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Stangenmaterial (1) aus wenigstens einem Werkstoff der folgenden Gruppe bearbeitet wird: hitzebeständiger Stahl, TRIP-Stahl, Dualphasenstahl, Titan-Legierungen, Aluminium-Legierungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Schritt b) mit variierender Umlaufgeschwindigkeit des Umformwerkzeuges (2) durchgeführt wird.
Vorrichtung (13) zum Umformen eines Stangenmaterials (1), aufweisend – wenigstens ein in Umfangsrichtung um das Stangenmaterial (1) umlaufendes Umformwerkzeug (2) zur Reduzierung eines ersten Durchmessers (3) des Stangenmaterials (1), – eine Vorschubeinheit (14) zum Erzeugen eines Vorschubs (15) des Stangenmaterials (1) gegenüber dem umlaufenden Umformwerkzeug (2), und – eine relativ zum Umformwerkzeug (2) bewegbare Ablenkvorrichtung (4) zum Biegen des Stangenmaterials (1).
Vorrichtung (13) nach Patentanspruch 8, aufweisend eine Steuerung (18), insbesondere zum automatisierten Positionieren der Ablenkvorrichtung (4).
Vorrichtung (13) nach einem der Patentansprüche 8 oder 9, wobei das wenigstens eine Umformwerkzeug (2) ein rotierendes Drückwalzwerkzeug (16) ist.
Vorrichtung (13) nach Patentanspruch 10, wobei das rotierende Drückwalzwerkzeug (16) radial zustellbare Walzen (17) und die Vorrichtung (13) insbesondere eine Steuerung (18), insbesondere zum automatisierten Zustellen der Walzen (17), aufweist.
Vorrichtung (13) nach einem der Patentansprüche 8 bis 11, aufweisend einen Dorn (7), der wenigstens teilweise einen Innenquerschnitt (6) eines hohlen Stangenmaterials (1) in wenigstens einem Teilbereich (8) einer Einflusszone (5) des wenigstens einen Umformwerkzeugs (2) abstützt.
Stangenmaterial (1), hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 oder mit einer Vorrichtung (13) nach einem der Patentansprüche 8 bis 12, wobei mindestens eine Versagenszone (24) vorgesehen ist.