DE4309932A1

DE4309932A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verformen von Hohlprofil-Werkstücken

Info

Publication number: DE4309932A1
Application number: DE4309932A
Authority: DE
Inventors: Hermann Bartels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-09-29
Also published as: CA2119624A1; JPH06315726A; EP0616858A1; US5505068A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren.

Es ist bekannt, Hohlprofilwerkstücke umzuformen, indem die Werkstücke in eine Preßform mit einer Innenkontur eingelegt werden, die der zu erzeugenden Form des Werkstücks entspricht. Mit einem Druck erzeugenden System, beispielsweise einem Druckzylinder, wird dann Öl oder eine Wasser-Ölemulsion unter hohem Druck in das Werkstück eingepreßt. Bei ausreichend hohem Druck erreicht man dann durch Anlegen der Werkstoffwandung an die Innenkontur der Preßform die gewünschte Umformung. Die Verwendung flüssiger oder auch gasförmiger Druckmedien bringt jedoch Abdichtungsprobleme mit sich, weil die Hohlprofilwerkstücke, beispielsweise Aluminium-Hohlprofile, schwankende Toleranzen haben, so daß eine ständige Anpassung des Dichtbereichs zur Preßform erforderlich ist. Flexibele Dichtungen sind bei sehr hohen Drücken kaum brauchbar, insbesondere dann, wenn höhere Temperaturen auftreten. Darüber hinaus fordert der offene Umgang mit Öl auch aus umweltrechtlicher Sicht hohe Aufwendungen.

Aus "Industrie-Anzeiger, Essen", Nr. 37, 8. Mai 1951, Seiten 393 bis 396, sowie aus der DDR-PS 25 188 ist es auch bereits bekannt, Feststoffteile, beispielsweise Sand oder kleine Kugeln, als Druckmedium zu verwenden. Die erreichbaren Verformungsgrade sowie die Güte der Verformung reichen jedoch bei den bekannten Verfahren nicht aus, insbesondere deswegen, weil sich bei Verwendung der erforderlichen hohen Drücke die Feststoffteilchen ineinander verkeilen und dann keine weitere Verformung mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das Umformungen von Hohlprofil-Werkstücken aus Metall schnell bei hohen Verformungsgraden und mit kleinem Aufwand ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Durch die Druckerzeugung mittels eines Dornes wird erreicht, daß sich hohe und genau dosierbare Drücke erzeugen lassen. Die gleichzeitige Stauchbewegung des Werkstücks, die der Dornbewegung überlagert ist, vermeidet die sonst bei hohen Verformungsgraden auftretenden Wandschwächungen des Werkstücks bis zum Aufreißen.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So erfolgt die Stauchbewegung mit Vorteil parallel zur Dornbewegung, d. h. in Richtung oder in Gegenrichtung der Dornbewegung. Eine besonders wichtige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Einpressen des Dorns in zwei oder auch mehreren Schritten erfolgt und daß zwischen den Schritten jeweils nach Rückführen des Dorns das Druckmedium mittels eines Druckzylinders nachgefördert wird. Die Dornbewegung und die Stauchbewegung können mit Vorteil unabhängig voneinander gesteuert werden. Dadurch läßt sich erreichen, daß ein Werkstück nacheinander in mehreren Bereichen durch einen oder mehrere Bewegungsschritte des Dorns bei unterschiedlichen Stauchbewegungen aufgeweitet wird, beispielsweise so, daß in einzelnen Bereichen die Wandstärke beim Aufweiten erhalten bleibt, in anderen Bereichen dagegen verringert wird. Die Steuerung kann dabei nach einem vorgewählten Programm ablaufen. Wenn das Druckmedium nach oder auch während der Rückführung des Dorns sowie auch während der Nachförderung gerüttelt wird, kann ein Verkeilen der Feststoffteilchen, und zwar auch von glatten Stahlkugeln, sicher gelöst werden, so daß beim nächsten Schritt eine weitere Verformung möglich wird.

Eine zusätzliche wichtige Weiterbildung sieht vor, daß das Werkstück auf eine Temperatur von wenigstens 200°C erwärmt wird. Die mit bekannten Verfahren in einem Schritt erzielbaren Umformungen sind trotz Anwendung sehr hoher Drücke beschränkt. Es ist zwar bekannt, daß bei höheren Temperaturen und insbesondere oberhalb der Rekristallisationsschwelle die Umformbarkeit des jeweiligen Werkstoffs wesentlich gesteigert werden kann. Da diese Rekristallisationsschwelle jedoch beispielsweise für Aluminium zwischen 330 und 550°C liegt, läßt sich das o.e., bekannte Verfahren unter Verwendung einer Wasser- Öl-Emulsion nicht einsetzen. Eine solche Emulsion kann nur bis zu Temperaturen von 100°C benutzt werden. Öl als Druckmedium erfordert bei Temperaturen über 200°C ein geschlossenes Transport- und Arbeitssystem, um eine Oxidation des Öls zu vermeiden und den Sicherheitsvorschriften zu entsprechen. Es können ohne Schwierigkeiten Feststoffteilchen gewählt werden, die auch sehr hohe Temperaturen aushalten, so daß dann in der angestrebten Weise eine bessere und einfachere Umformung möglich ist. Bei Temperaturen oberhalb von 200°C ist bei den meisten Metallen, insbesondere aber auch bei Aluminium, die Zugfestigkeit, und Härte gegenüber den Werten bei Raumtemperatur so weit abgesunken, daß die erforderlichen Drücke wesentlich kleiner werden. Gleichzeitig nimmt die Bruchdehnung und die Brucheinschnürung im allgemeinen zu, so daß größere Umformungen möglich werden.

Das Druckmedium kann aus Metallkugeln mit einem Radius von r < 5mm, vorzugsweise < 2 mm, bestehen. Es können auch Aluminiumoxidkörner oder -kugeln oder auch Siliziumoxidkörner oder -kugeln verwendet werden, die dann zweckmäßig größer als 0,3 mm sind, vorzugsweise eine Größe zwischen 0,5 und 1,0 mm besitzen. Gegebenenfalls können auch zwei oder mehrere Arten von Feststoffteilchen gemischt werden.

Die Erwärmung des Werkstücks kann dadurch erfolgen, daß die Preßform auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird. Zusätzlich kann das Werkstück vor dem Einlegen in die Preßform vorgewärmt werden. In gleicher Weise besteht auch die Möglichkeit, das Druckmedium vor dem Einpressen in die Form vorzuwärmen.

Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens können vom Fachmann unter Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse und unter Berücksichtigung der jeweiligen Hohlprofil-Werkstücke und metallischen Werkstoffe unter Verwendung bekannter Bauteile konstruiert werden. Dabei erfolgt in Weiterbildung der Erfindung jedoch zweckmäßig die Zufuhr des Druckmediums mittels eines Druckzylinders, der kraft- oder formschlüssig an die Preßform angesetzt wird und das Druckmedium über einen Kanal einpreßt. Zusätzlich läßt sich mit Vorteil ein Vibrator am Druckzylinder anbringen, der ebenfalls die Förderung und Homogenisierung des Druckmediums verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Schnittansicht einer Verformungseinrichtung nach der Erfindung mit eingelegtem Hohlprofil- Werkstücks vor Beginn der Verformung;

Fig. 2 die Schnittansicht entsprechend Fig. 1 nach einer Teilverformung des Werkstücks;

Das zu verformende Werkstück, das bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ein Aluminiumrohr 11 mit Kreisquerschnitt ist, liegt in einer geteilten Preßform 12 mit einer Kavität 13, die der zu erzeugenden Form des Werkstücks 11 entspricht. Heizplatten oder -bänder 14 erzeugen und halten die gewünschte Preßformtemperatur, um das Werkstück 11 zu erwärmen bzw. die Temperatur des vorher erwärmten Werkstücks zu halten.

Auf der in der Zeichnung rechten Seite ist an die Preßform 12 eine Fördereinheit 15 für das Druckmedium 16 in Form von Stahlkugeln angeflanscht. Die Fördereinheit 15 enthält einen Zylinder 17 für das Druckmedium 16 und einen Kolben 18, dessen Kolbenstange 19 mit einem Außengewinde versehen und in eine Endplatte 20 eingeschraubt ist. Durch Drehen der Kolbenstange 19 mittels eines Vierkants 21 kann das Druckmedium 16, das über einen Trichter 22 eingefüllt wird, durch eine Bohrung 23 in die Preßform 12 gefördert werden. Zu Beginn des Verformungsvorgangs ist der Öffnungsquerschnitt 40 des Trichters 22 durch den Kolben 18 verschlossen.

Auf der in der Zeichnung linken Seite der Preßform 12 ragt ein Dorn 24 durch ein im Werkstück 11 liegendes Führungselement 25 in das Werkstück hinein. Am anderen Ende (links in der Zeichnung) ist der Dorn 24 mit einem Außengewinde in eine Hülse 35 eingeschraubt, die am Ende ein Gewinde 36 besitzt. Am anderen Ende ist die Hülse 35 in eine Endplatte 27 eingeschraubt, die über ein Gehäuse 28 und eine Führungsplatte 29 an die Preßform 12 angeflanscht ist. Im Gehäuse 28 befindet sich ein rohrförmiges Drückelement 30, das auf einer Seite mit einem Flansch 31 im Gehäuse und auf der anderen Seite in der Platte 29 geführt ist und stirnseitig am Werksstück 11 anliegt.

Die Verformung des Werkstücks 11 beginnt ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Position aller Teile, nachdem die Preßform 12 mit dem Werkstück 11 auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt ist. Durch Verdrehen des Vierkants 34 wird der Dorn 24 in Richtung auf das Werkstück 11 verschoben, während gleichzeitig durch Verdrehen der Hülse 35 mittels eines Vierkants 32 das Drückelement 30 durch einen an dessen Flansch 31 anliegenden Flansch 26 der Hülse 35 in Richtung auf das Rohr 11 verschoben wird. Der Dorn 24 dringt dann in das Druckmedium, im Ausführungsbeispiel Stahlkugeln 16, ein und ist zu diesem Zweck an der Spitze mit einem Kegel 33 versehen. Das Werkstück 11 wird dabei durch den Druck der Kugeln 16 in Richtung auf die in Fig. 2 dargestellte Position aufgeweitet, wobei gleichzeitig das Werkstück 11 über die Hülse 35 und das Drückelement 30 gestaucht wird, so daß beim Aufweiten eine Schwächung der Wandstärke vermieden wird. Die Verschiebung des Dorns 24 einerseits und des Drückelements 30 andererseits kann zur Anpassung der Druckerzeugung und Stauchbewegung unabhängig voneinander gesteuert werden.

Am Ende des ersten bzw. mehrerer Verformungsschritte und dazugehöriger Zwischenschritte, bei denen jeweils der Dorn zurückgezogen und in den dann entstandenen Hohlraum weitere Stahlkugeln 16 mittels des Kolbens 18 gefördert werden, wobei die Verkeilung der Stahlkugeln 16 durch einen an der Fördereinheit 15 angebrachten Vibrator 37 gelöst wird, hat das Werkstück 11 die in Fig. 2 dargestellte Teilverformung erreicht, und alle Teile haben die dargestellte Position. Nach weiteren Verformungsschritten mit den entsprechenden Zwischenschritten wird schließlich die in Fig. 3 gezeigte Gesamtverformung des Werkstücks 11 erreicht. Das Werkstück 11 kann dann nach Öffnen der Preßform 12 entnommen werden, nachdem das Druckmedium 16 in Form der Stahlkugeln in den Zylinder 17 zurückgeführt ist. Desgleichen wird auch der Dorn 24 zusammen mit dem Drückelement 30 in die Anfangsposition gemäß Fig. 1 zurückgeführt.

Claims

1. Verfahren zum Verformen von Hohlprofil- Werkstücken (11) aus Metall, bei dem das Werkstück in eine Preßform (12) eingelegt wird, deren Innenkontur (13) der zu erzeugenden Form des Werkstücks entspricht und bei dem nach Schließen der Preßform (12) ein Feststoffteile, insbesondere Stahlkugeln umfassendes Druckmedium (16) in das Werkstück (11) eingepreßt wird, derart, daß das Werkstück unter Anlegen an die Innenkontur der Preßform verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckerzeugung im Druckmedium (16) ein Dorn (24) in das Druckmedium eingepreßt und der Dornbewegung eine Stauchbewegung des Werkstücks (11) überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauchbewegung parallel zur Dornbewegung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpressen des Dorns (24) in zwei oder mehreren Schritten erfolgt und zwischen den Schritten jeweils nach Rückführen des Dorns (24) das Druckmedium (16) mittels eines Druckzylinders (17, 18) nachgefördert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dornbewegung und die Stauchbewegung unabhängig voneinander gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) nach und/oder während der Rückführung des Dorns (24) und während der Nachförderung gerüttelt (37) wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) auf eine Temperatur von wenigstens 200°C erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) aus Stahlkugeln mit einem Radius von r < 5 mm, vorzugsweise < 2 mm, besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) aus Aluminiumoxidkörnern oder -kugeln besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) aus Siliciumoxidkörnern oder -kugeln besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln oder Körner größer als 0,3 mm sind und vorzugsweise eine Größe zwischen 0,5 und 1,0 mm besitzen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) aus einer Mischung von wenigstens zwei Arten von Feststoffteilchen besteht.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Werkstücks (11) wenigstens teilweise durch die Preßform (12) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) vor dem Einlegen in die Preßform (12) vorgewärmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (16) vorgewärmt wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Druckmediums (16) mittels eines Druckzylinders (17, 18) erfolgt, der kraft- oder formschlüssig an die Preßform (12) ansetzbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder (15, 17, 18) einen Vibrator (37) aufweist.