DE19909949A1

DE19909949A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umformen eines Hohlprofils o. dgl. Werkstückes auf dem Wege des Innenhochdruck-Umformens

Info

Publication number: DE19909949A1
Application number: DE19909949A
Authority: DE
Inventors: Joerg Hein; Aslan Goeger
Original assignee: Alusuisse Lonza Services Ltd
Current assignee: 3A Composites International AG
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-03-06
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2019-03-07
Also published as: DE19909949B4; DE59907434D1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkammerprofil ausgebildeten Hohlprofils o. dgl. Werkstückes mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel übergriffenen Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdrucks, wird wenigstens ein Dichtungselement durch das Wirkmedium aus einem es aufnehmenden Raum radial nach außen geführt und an eine zwischen dem Hohlprofil sowie dem an dieses angeschlagenen Stempel bestehende Fuge angelegt; das Wirkmedium wird aus dem Raum für das Dichtungselement in den Profilraum eingelegt. Dazu ist am Umfang eines in den Profilraum einführbaren Stempelteils oder Stempelabsatzes wenigstens eine Ringnut vorgesehen und in dieser ein Dichtungselement gelagert, das zur Stempellängsachse hin zumindest einen Zuführraum abhebbar und in der Nut radial nach außen bewegbar angeordnet ist. Der in den Profilraum einführbare Stempelabsatz ist an eine ihn radial überragenden Schulterfläche des Stempels angefügt, wobei letztere als Anschlag für eine Stirnkante des Hohlprofils dient und mit dieser eine Fuge begrenzt, an welche das als Dichtungsring gestaltete Dichtungselement durch das Wirkmedium angelegt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkammerprofil-ausgebil deten Hohlprofils od. dgl. Werkstückes mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel übergriffenen Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innen hochdrucks.

Beim sog. Innenhochdruck-Umformen (IHU-Verfahren) wird das Hohlprofil durch Innendruck ausgedehnt. Zusätzlich kann das Hohlprofil mittels wenigstens eines Stempels nachgeschoben werden, der am Werkstück stirnseitig angreift. Letzteres kann so aufgeweitet, gestaucht bzw. expandiert werden.

Bei einem Doppel- oder Mehrkammerprofil dehnen sich dessen Stege zwischen den einzelnen Kammern anders aus als die üb rigen Wandungen. Scharfe Ecken oder plötzliche Wand dickenänderungen im Werkstück führen zudem zu ungleich mäßiger Verformung beim Kalibrieren.

Es ist bekannt, die Stirnseiten des Hohlprofils abzudich ten, um in diesem den Hochdruck zu halten. Bisherige Dicht verfahren bedienen sich konisch geformter PUR- oder Stahl dichtstempel, die in das Hohlprofil eingefahren werden. Sie vermögen die ungleichmäßige Verformung nicht auszugleichen und verschleißen schnell durch die beim Einfahren in das Hohlprofil auftretende Reibung. Weicht die Form des Profils zu stark von den Sollwerten ab, muss die Dichtung noch wei ter einfahren, was den Verschleiß erhöht; andernfalls kann sie gar nicht mehr abdichten.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Dichtmöglichkeiten zwischen der Paarung aus Hohlprofil und Stempel zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Wei terbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschrei bung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß wird wenigstens ein - ringartig ausgebil detes - Dichtungselement durch das Wirkmedium aus einem es aufnehmenden Raum radial nach außen geführt und an eine zwischen dem Hohlprofil sowie dem an dieses angeschlagenen Stempel bestehende Fuge angelegt; das Wirkmedium wird dabei aus dem Raum für das Dichtungselement in den Profilraum eingeleitet. Als günstig hat sich wenigstens ein Druckventil im Strömungsweg des Wirkmediums zwischen dem das Dichtungselement aufnehmenden Zuführraum sowie dem Pro filraum erwiesen, das bei dem Druck geöffnet wird, unter welchem das Dichtungselement seine Dichtfunktion erfüllt; es soll den Einlauf eines größeren Volumenstroms oder ein verlustärmeres Einlaufen des Wirkmediums in den Profilraum ermöglichen.

Wird das Dichtungselement beidseits eingespannt, kann es axial und/oder radial vorgespannt werden.

Insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung, bei der am Umfang eines in den Profilraum ein führbaren Stempelteils oder Stempelansatzes wenigstens eine Ringnut vorgesehen und in dieser ein ringartiges Dichtungselement gelagert ist, das zur Stempellängsachse hin zumindest einen Zuführraum für das Wirkmedium überspannt sowie durch dieses vom Zuführraum abhebbar und in der Ringnut radial nach außen bewegbar angeordnet ist. Bei einer besonderen Ausgestaltung ist die Ringnut als Schulternut geformt mit einem hinterschnittenen Querschnittsteil und einem als offene Auflagefläche für das Dichtungselement ausgebildeten Abschnitt, dies vor allem dann, wenn der Stempelabsatz ein gesondertes Ansatzteil des Stempels ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der in den Profilraum einführbare Stempelansatz an eine ihn radial überragende Schulterfläche des Stempels angefügt; letztere dient als Anschlag für eine Stirnkante des Hohlprofils und begrenzt mit dieser eine Fuge, an welche der Dichtungsring durch das Wirkmedium angelegt zu werden vermag.

Das ringförmige Dichtungselement befindet sich also auf einem Absatz oder Ansatz des Stempels in jener Ringnut, die sich auch achsparallel über jene Schulterfläche hinaus erstrecken kann. An ihr verläuft eine weitere Nut als Innennut, die das Wirkmedium führt. Das Wirkmedium strömt in die Innennut unter das Dichtungselement und weitet dieses auf, bis es sich vor jene Fuge legt. Nun strömt das Wirkmedium über die Innenkante der Ring- oder Dichtungs nut - oder über Bohrungen - in das Werkstück ein. Die Bohrungen können so angeordnet oder die Innenkante kann so ausgeformt sein, dass das Wirkmedium erst in das Werkstück bzw. den Profilraum fließt, wenn das Dichtungselement an diesen kritischen Stellen der Fuge anliegt.

Als günstig hat es sich erwiesen, der freien Endkante des Dichtungsstreifens eine ihn radial haltende Randrippe eines Stempeldeckels aufzulegen; letzterer ist mit der Stirnfläche des Stempelansatzes verbunden.

Im Rahmen der Erfindung liegt zudem ein Dichtungsring aus einem bandartigen Innenabschnitt mit aus diesem etwa in Querschnittsmitte herausgeformter Rippe. Durch diese Maßgabe entsteht ein Querschnitt, der dem eines Hutes entspricht. Die mittige Rippe dieses Dichtungsringes ist in Einbaustellung einerseits von einem Abschnitt des Stempelansatzes und anderseits von einer Ringrippe des Kopfteils flankiert.

Während des Kalibrierens passt sich die elastische Dichtung der sich beim Umformen ändernden Gestalt des Hohlprofils bzw. des Werkstücks an. Wird der Druck im Werkstück wieder abgebaut, geht die Dichtung in ihre Ausgangslage zurück; Stempel und Dichtung können wieder reibungslos aus dem Werkstück ausgefahren werden.

Mit der Erfindung werden u. a. die folgenden Vorteile er reicht:

- es erfolgt ein berührungsloses Einfahren, also ver schleißarmes Abdichten;
- Toleranzen des Hohlprofils oder Werkstücks werden durch die Dichtung kompensiert;
- es wird keine zusätzliche Dichtkraft erforderlich;
- es erfolgt ein Ausgleich ungleichmäßiger Ausdehnung des Hohlprofils während des Kalibriervorgangs durch die Dichtung;
- ein Nachschieben mit Stempel ist ohne zusätzlichen Verschleiß der Dichtung möglich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung eines be vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch- eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 in zu dieser geänderter Betriebsstellung;

Fig. 3, 5, 6 Ausschnitte zu jeweils einer anderen Vorrichtung;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3.

Beim sogenannten Innenhochdruck-Umformen (IHU) wird ein Hohlprofil 10 durch einen in seinem Profilraum 12 herr schenden Innendruck aufgeweitet. Zusätzlich kann das Hohl profil 10 mittels eines an seiner Stirnkante 14 angreifen den Stempels 16 axial nachgeschoben werden.

Um den Hochdruck im Profilraum 12 zu halten, muss die Stirnkante 14 des Hohlprofils 10 am Stempel 16 abgedichtet anschlagen. Hierzu ist der Stempel 16 mit einer radialen Schulterfläche 18 eines Außendurchmessers d versehen, an welche ein zylindrischer Stempelansatz 20 eines kleineren Durchmessers d₁ anschließt. Die Höhe der zur Längsachse A des Stempels 16 parallelen Umfangsfläche 22 des zylindri schen Stempelabsatzes 20 ist in Fig. 1 mit h bezeichnet.

Am Übergang der ringförmigen Schulterfläche 18 zum Stempel ansatz 20 ist in dessen Umfangsfläche 22 eine Ringnut 24 zur Aufnahme eines Dichtungsringes 26 eingeformt. Unter diesem verläuft eine in das Tiefste - also den Nutboden 27 - der Ringnut 24 eingeformte sowie zum Querschnitt der Ringnut 24 einer Breite b beidseits abgestufte Innennut 25 geringerer Breite e. Von dieser gehen - im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs - Radialkanäle 28 aus, die andernends bei 29 in eine zentrische Ausnehmung 30 des Stempels 16 münden. Der Querschnitt dieser an sich zylin drischen Ausnehmung 30 verjüngt sich nahe der Stempelinnen- oder Stempelstirnfläche 11 in einem Bereich 32 konisch zu einem Axial- oder Ausflusskanal 34 hin.

Zur Durchführung einer Verformung des Hohlprofils 10 fährt der Stempel 16 mit seinem Dichtungsring 26 reibungslos in dieses Werkstück bzw. Hohlprofil 10 ein; dabei entsteht zwischen letzterem sowie der radialen Schulterfläche 18 des Stempels 16 eine zu dichtende Fuge 36. Durch die Radialka näle 28 strömt aus der zentrischen Ausnehmung 30 in die be schriebene - als Zuführraum dienende - abgestufte Innen nut 25 ein Wirkmedium und weitet den Dichtungsring 26 auf; dieser legt sich vor jene Fuge 36, und das Wirkmedium strömt gemäß Pfeil in Fig. 2 über die Innenkante 23 der Ringnut 24 - oder über Bohrungen - in den Profilraum 12 ein. Sowohl die Innenkante 23 als auch die nicht darge stellten Bohrungen können so ausgebildet sein, dass das Wirkmedium erst in den Profilraum 12 fließt, wenn der Dich tungsring 26 an den kritischen Stellen vor der Fuge 36 - diese abdichtend - liegt.

In Fig. 1 nicht wiedergegeben ist ein in den Axialkanal 34 einsetzbares Druckventil, das in der Ausführung der Fig. 3 bei 38 angedeutet ist. Dieses wird so eingestellt, dass es sich bei jenem Druck öffnet, unter welchem der Dichtungsring 26 der Dichtkante anliegt, und so den Einlauf eines größeren Volumenstroms oder den verlustärmeren Einlauf des Wirkmediums in den Profilraum 12 zuläßt.

Während des Kalibrierens des Hohlprofils 10 passt sich der Dichtungsring 26 aus elastischem Werkstoff 26 der sich än dernden Gestalt des Hohlprofiles 10 an. Wird in diesem der Druck abgebaut, geht der Dichtungsring 26 in seine Aus gangslage in die Ringnut 24 zurück, so dass der Dichtungs ring 26 mit dem Stempel 16 wieder reibungslos aus dem Pro filraum 12 ausgefahren zu werden vermag.

Bei der Ausführung nach Fig. 3, 4 ist der Stempel 16 _a in der Ebene seiner Schulterfläche 18 in einen Kopfteil 19 und den zylindrischen Stempelansatz 20 _a zweigeteilt. In eine einseitig hinterschnittene Schulternut 24 _a ist ein Dichtungsring 40 eingeschoben, der einen bandartigen Innenabschnitt 41 aufweist, aus dessen Querschnittsmitte eine an ihren Kanten 42 angefaste Rippe 44 herausgeformt ist; ein schmaler Randbereich des Innenabschnitts 41 des Dichtungsringes 40 ist einerseits in den hinterschnittenen Teil der Schulternut 24 _a eingeschoben und anderseits von einer axialen Ringrippe 46 des Kopfteils 19 übergriffen. Der querschnittlich einem Hutquerschnitt ähnliche Dichtungsring 40 aus Polyurethan ist also beidseitig durch den zweigeteilten Stahlstempel 16 _a eingefasst. Dadurch wird er zum einen axial vorgespannt und bei einem gewissen Innendruck auch in seiner Position gehalten. Durch den Ein-/oder Anbau des schematisch dargestellten Drosselventils 38 ist gewährleistet, dass bei Druckaufbau im Profil 10 zuerst Druck am Dichtungsring 40 erzeugt wird, bevor der Innendruck im Profil 10 aufgebaut wird; das Ansprechen der Dichtung ist gewährleistet.

Fig. 5 zeigt ebenfalls einen zweigeteilten Stempel 16 _b aus einem Kopfteil 19 _b und einem gesonderten zylindrischen Stempelansatz 20 _b, der in einen Einsatzraum 48 des Kopfteils 19 _b eingesetzt ist. Die Ringnut 24 rechteckigen Querschnitts nimmt den entsprechend gestalteten Dichtungsring 26 auf, der teilweise von der Seitenfläche 49 eines den Einsatzraum 48 umgebenden Ringrandes 50 überdeckt ist; letzterer bietet jene Schulterfläche 18 an.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 entspricht die Form des Stempels 16 _c etwa der des Stempels 16 der Fig. 2, wobei allerdings der Dichtungsring 26 _c der Umfangsfläche 22 aufliegt, die durch eine achsparallel in die Schulterfläche 18 eingeformte Ringnut 24 _c über die Schulterfläche 18 hinaus verlängert ist. Hier weist der Dichtungsring 26 _c andernends eine an seine Außenkante angeordnete Schultereinformung 52 auf, in den eine Randrippe 54 eines Stempeldeckels 56 haltend eingreift. Letzterer ist bei 58 mit dem zylindrischen Stempelansatz 20 _c verschraubt.

Claims

1. Verfahren zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkam merprofil ausgebildeten Hohlprofils od. dgl. Werk stückes (10) mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel (16) übergriffenen Profilraum (12) durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungselement (26, 26 _c, 40) durch das Wirkmedium aus einem es aufnehmenden Raum (24, 24 _a, 24 _c) radial nach außen geführt und an eine zwischen dem Hohlprofil (10) sowie dem an dieses angeschlagenen Stempel (16, 16 _a, 16 _b, 16 _c) bestehende Fuge (36) angelegt wird, wobei das Wirkmedium aus dem Raum für das Dichtungselement in den Profilraum (12) eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem das Dichtungselement (26, 26 _c, 40) aufnehmenden Raum (24, 24 _a, 24 _c) und den Profilraum (12) im Strömungs- oder Fließweg des Wirkmediums angeordnetes Druckventil (38) bei dem Druck, unter dem das Dichtungselement dichtend anliegt, geöffnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (26, 26 _c, 40) beidseits eingespannt sowie axial und/oder radial vorgespannt wird.

4. Vorrichtung zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkam merprofil ausgebildeten Hohlprofils od. dgl. Werk stückes (10) mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel (16, 16 _a, 16 _b, 16 _c) übergriffenen Profilraum (12) durch ein strömbares Wirkmedium er zeugten Innenhochdrucks, insbesondere zur Durchfüh rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang (22) eines in den Profilraum (12) einführbaren Stempelteils oder Stempelansatzes (20, 20 _a, 20 _b, 20 _c) wenigstens eine Ringnut (24, 24 _a, 24 _c) vorgesehen und in dieser ein Dichtungselement (26, 26 _c, 40) gelagert ist, das zur Stempellängsachse (A) hin zumindest einen Zuführraum (25) für das Wirkmedium überspannt sowie durch dieses vom Zuführraum abhebbar und in der Nut radial nach außen bewegbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Profilraum (12) einführbare Stempel ansatz (20, 20 _a, 20 _b, 20 _c) an eine ihn radial überragende Schulterfläche (18) des Stempels (16, 16 _a, 16 _b, 16 _c) angefügt ist, wobei letztere als Anschlag für eine Stirnkante (14) des Hohlprofils (10) dient und mit dieser eine Fuge (36) begrenzt, an welche das als Dichtungsring gestaltete Dichtungselement (26, 26 _c, 40) durch das Wirkmedium anlegbar ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempelansatz (20 _a, 20 _b) als gesondertes Teil an einen die radiale Schulterfläche (18) bildenden Kopfteil (19, 19 _b) des Stempels (16 _a, 16 _b) angefügt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (24, 24 _c) in achsparalleler Richtung teilweise in die Schulterfläche (18) einragt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gesonderte Stempelansatz (20 _b) in einen Einsatzraum (48) des Kopfteils (19 _b) eingesetzt und das in der Ringnut (24) des Stempelansatzes (20 _b) vorgesehene Dichtungselement (26) in den Einsatzraum an dessen Seitenfläche (49) eingreift.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (26 _c) an seiner der Schulterfläche (18) fernen Kante von einer Randrippe (54) eines Stempeldeckels (56) übergriffen ist, der an die Stirnfläche (17) des Stempelansatzes (20 _c) angefügt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut als Schulternut (24 _a) einen hinterschnittenen Querschnittsabschnitt sowie einem an den Kopfteil (19) des Stempels (16 _a) anschließenden Schulterabschnitt umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Ring- oder Schulternut (24, 24 _a, 24 _c) eine weitere Nut (25) als Zuführraum für das Wirkmedium anschließt, die durch zumindest einen im Stempel (16, 16 _a, 16 _b, 16 _c) verlaufenden Kanal (28) an eine Quelle für das Wirkmedium anschließbar ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Nut (25) als Innennut in das Tiefste (27) der Ring- oder Schulternut (24, 24 _a, 24 _c) eingeformt und letzterer radial zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennut (25) mit einer zen trischen Ausnehmung (30) des Stempels (16, 16 _a, 16 _b, 16 _c) durch etwa radiale Kanäle (28) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen Dichtungsring (40) aus einem bandartigen Innenabschnitt (41) und aus diesem etwa in Querschnittsmitte herausgeformter Rippe (44).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kante (42) der mittigen Rippe (44) des Dichtringes (40) angefast ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mittige Rippe (44) des Dichtungsringes (40) in Einbaustellung einerseits von einem Abschnitt des Stempelansatzes (20 _a) und anderseits von einer Ringrippe (44) des Kopfteils (19) flankiert ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrische Ausnehmung (30) zum Profilraum (12) hin in einen an der Stempelinnenfläche (17) mündenden Ausflusskanal (34) übergeht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausflusskanal (34) mit einem Druckventil (38) versehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zentrische Ausnehmung (30) zum Ausflusskanal (34) hin verjüngt.