[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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 Axialpressvorgangs
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.
[0004] 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.
[0005] 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,
Rändel oder dergleichen am Dorn vorzusehen.
[0006] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird, zusätzlich zu einer Konturierung der
Oberflächenstruktur des Dorns oder anstelle einer solchen, 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.
[0007] 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.
[0008] Weiter vorzugsweise umfasst ein Anschlag wenigstens ein relativbeweglich an der zweiten
Matritze gelagertes Druckelement, welches den umzuformenden Bereich des Rohr- und/oder
Stangenelements wenigstens abschnittsweise stirnseitig abstützt. Das Druckelement
ist bevorzugt auswechselbar gestaltet und lässt sich gegenüber der zweiten Matritze
in unterschiedliche Positionen bringen. Besonders vorteilhaft lassen sich mehrere,
bevorzugt in einer ringförmigen Konfiguration angeordnete Druckelemente vorsehen,
deren Positionen einzeln und unabhängig voneinander gegenüber der zweiten Matritze
einstellbar sind.
[0009] Weiter vorzugsweise ist das Druckelement mittels einer Feder und/oder eines fremdbetätigbaren
Antriebs verstellbar ausgeführt. Als Antriebe kommen insbesondere hydraulisch und/oder
elektrisch arbeitende Maschinen in Betracht, die ggf auch über eine Prozessoreinheit
derart ansteuerbar sind, dass ihre Position und/oder die ausgeübte Kraft und/oder
die Verschiebegeschwindigkeit vorausbestimmt einstellbar ist. Ergänzend ist ein Sensorelement
vorgesehen, das den Umformgrad im umzuformenden Bereich zumindest indirekt erfasst,
Informationen an die Prozessoreinheit übermittelt, sodass über die Prozessoreinheit
eine Regelung von Position und/oder ausgeübter Kraft und/oder Verschiebegeschwindigkeit
des Druckelements vorgenommen werden kann.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Rohr- und/oder Stangenelement (R)
vor einem Axialpressvorgang oder währenddessen wenigstens lokal erwärmt. Dabei kommen
materialabhängige Temperaturen in einem Bereich um die Rekristallisationstemperatur
des Werkstoffs in Betracht.
[0013] Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung,
in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen dargestellt
sind.
[0014] Hierzu zeigen
- Fig. 1
- in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug mit
einem Rohrelement in einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung,
- Fig. 2
- in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug mit
einem Rohrelement in einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung,
- Fig. 3
- in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug mit
einem Rohrelement in einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung und
- Fig. 4
- in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Umformwerkzeug mit
einem umgeformten Rohrelement gemäß Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 in einem zweiten Verfahrensschritt.
[0015] 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 Fig. 1 bis 4 ist
bevorzugt näherungsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse Z ausgeführt.
Im Folgenden wird auf das Rohrelement R Bezug genommen, das in den Fig. 1 bis 4 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] Die vom Presswerkzeug aufgebrachte Kraft ist in Fig. 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.
[0019] Wie in Fig. 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 Fig. 1 entsprechend mit durchgezogenen Linien dargestellt.
[0020] 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 Fig. 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 (oder alternativ parabolischen,
kugeligen, elliptischen etc.) 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 α beträgt vorliegend etwa 45°. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist
die Anschlagfläche aus wenigstens zwei Abschnitten gebildet, wobei ein erster vorderer
Abschnitt einen kleineren Winkel α1 und ein zweiter hinterer Abschnitt einen größeren
Winkel α2 zur Achse Z aufweist. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel
ist die Anschlagfläche aus wenigstens zwei Abschnitten gebildet, wobei ein erster
vorderer Abschnitt einen größeren Winkel α1 und ein zweiter hinterer Abschnitt einen
kleineren Winkel α2 zur Achse Z aufweist.
[0021] 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, Rändel, Noppen., Kerben
oder sonstige Oberflächenstrukturen in der Anschlagfläche 20 anzuordnen, um ebenfalls
ein Anhaften von Material mit gleichzeitigem Stauch-Effekt zu erreichen.
[0022] Im Zuge des ersten Verfahrensschritts und des enthaltenen Axialpressvorgangs stößt
die zweite Matrize 4 in nicht dargestellter Weise mit einem zweiten Anschlag 23 stirnseitig
gegen den Endabschnitt 21 des Rohrelements, wobei eine trichterförmige Anschlagfläche
22 in etwa einen Winkel β 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
23 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.
[0023] 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, 23 bis zum Ende des ersten Verfahrensschritts definiert.
[0024] 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.
[0025] Anstelle oder zusätzlich zu einer Aufrauhung der Außenfläche 15 des Dorns 3 ist es
möglich, diesen mit einer umlaufenden Nut 14, mit mehreren Nuten und/oder Kerben,
Noppen, Rändeln oder dergleichen 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.
[0026] Eine andere Möglichkeit einen Materialtransport in Richtung Rohrende 9 zu bewirken,
ist in Fig. 2 dargestellt. Die Stirnfläche 7 am linken Ende 6 des Rohrelements R wird
von einem Ring oder einer Hülse 17 stirnseitig bedeckt. Ein in Fig. 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. ein kurzzeitiges
oder länger andauerndes Verschieben der Hülse 17 in Richtung der zweiten Matrize 4
während des Aufweitvorgangs führt dann zu einer Verschiebung von Material in Richtung
des Rohrendes 9. Eine solchermaßen erzeugte Materialverlagerung wirkt dann dem Wandstärkenschwund
aufgrund der Aufweitung des Rohrendes 9 entgegen und führt ggf. zu einem Materialüberschuss
12 am Rohrende 9. Denkbar ist auch, den durch die Hülse 17 gebildeten beweglichen
Anschlag 8' mit den Maßnahmen zum Materialtransport gemäß Fig. 1, insbesondere mit
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.
[0027] In einem dritten, modifizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 3 ist
im Bereich des zweiten Anschlags 23 eine Anordnung mehrerer separater Druckelemente
24 vorgesehen. Die Druckelemente 24 umgeben die zweite Matrize 4 bevorzugt ringförmig
und sind bevorzugt relativbeweglich zu dieser an der zweiten Matrize 4 gelagert. An
den Druckelementen 24 ist jeweils eine Anschlagfläche 22' vorgesehen, die analog zur
oben beschriebenen trichterförmigen Anschlagfläche 22 gegen das Rohrende 9 gedrückt
werden kann. Bevorzugt bilden mehrere Anschlagflächen 22' zusammengenommen eine trichterförmige
Anschlagfläche. Weiter bevorzugt ist zwischen den Anschlagflächen 22' und der kegeligen
Anschlagfläche 20 ein Winkel zwischen 60° und 100° gebildet, wobei unterschiedliche
Druckelemente 24 unterschiedliche Ausrichtung relativ zur kegeligen Anschlagfläche
20 aufweisen können.
[0028] Vorliegend sind die Druckelemente 24 parallel zur kegeligen Anschlagfläche 20 verschieblich
geführt angeordnet, wobei mindestens einem Druckelement 24 eine Feder 25 zugeordnet
ist, deren Federkraft das Druckelement 24 gegen das (teilumgeformte) Rohrende 9 drücken
kann. Die Feder 25 kann als nichtverstellbare (mechanische) Feder ausgestaltet sein.
Weiter bevorzugt ist die Feder mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch
verstellbar ausgeführt.
[0029] Alternativ oder zusätzlich zu einer Feder 25 ist wenigstens einem Druckelement 24
insbesondere ein Antriebselement 26 zugeordnet, welches direkt oder indirekt Drehmoment
oder Kraft auf ein Druckelement 24 ausübt. Das Antriebselement 26 ist über eine separate,
nicht dargestellte Steuerungseinrichtung (z.B. NC-Rechnereinheit) ansteuerbar, wobei
in der Steuerungseinrichtung beispielsweise ein Positionsverlauf, ein Kraftverlauf
und/oder ein Geschwindigkeitsverlauf wenigstens eines Druckelements 24 für die Zeit
der Durchführung des Verfahrensschritts hinterlegt ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
sind für mehrere Druckelemente 24 mehrere ggf. unterschiedliche Positions-, Kraft-
und/oder Geschwindigkeitsverläufe abgespeichert. Ferner kann auch eine zeitlich variierende
Federkennlinie hinterlegt sein. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel
ist mehreren Druckelementen ein gemeinsames Antriebselement 26 zugeordnet. In einem
weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel wirkt das Antriebselement 26 impulsartig
bzw. stoßweise auf ein zugeordnetes Druckelement 24 ein, so dass dieses während des
Umformverfahrens mehrmals kurzzeitig mit impulsartig an- und abschwellender Kraft
gegen das Rohrende 9 drückt.
[0030] Mittels verstellbarer Druckelemente 24 lässt sich der Umformvorgang besonders gut
dahingehend anpassen, dass eine maximal mögliche Anstauchung des Rohrendes 9 erreicht
werden kann, die ohne Faltenbildung im umzuformenden Bereich 10 erreichbar ist. Schließlich
ist auch von einer rotationssymmetrischen Form abzuweichen, indem unterschiedliche
Druckelemente unterschiedlich angesteuert werden. Auch und gerade mit gepulsten Pressvorgängen
(auch an einzelnen Druckelementen) lassen sich hohe oder lokal hohe Umformgrade erreichen.
[0031] Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen können ergänzend über eine Sensoreinheit
in nicht dargestellter Weise an dem Umformwerkzeug 1 Messwerte erfasst werden, die
insbesondere Rückschlüsse auf den Umformgrad des Rohrelements R ermöglichen. Anhand
der erfassten Messwerte, die an die Steuerungseinrichtung übermittelt werden, errechnet
die Steuerungseinrichtung eine Steuergröße wenigstens eines Druckelements 24 und/oder
wenigstens einer Feder 25. Schließlich sind somit (via Steuerungseinrichtung sowie
Antriebselement) Position, Federzustand und/oder Geschwindigkeit der Druckelemente
24 in Abhängigkeit vom Umformprozess einstellbar bzw. regelbar.
[0032] In Fig. 4 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.
[0033] 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.
[0034] 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, halbwarm 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.
[0035] Es versteht sich im übrigen, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
sich nahezu beliebig kombinieren lassen.
[0036] 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.
1. Verfahren zum Umformen eines Rohr- und/oder Stangenelements, bei dem
- ein Umformwerkzeug (1) eine erste Matrize (2) und eine zweite Matrize (4) aufweist,
- in einem ersten Verfahrensschritt ein freies Ende (9) des Rohr- und/oder Stangenelements
(R) zwischen der ersten Matrize (2) und der zweiten Matrize (4) mittels eines Axialpressvorgangs
plastisch umgeformt, insbesondere trichterförmig aufgeweitet, wobei
- während des Axialpressvorgangs aus einem außerhalb eines umzuformenden Bereichs
(10) des Rohr- und/oder Stangenelements (R) Material des Rohr- und/oder Stangenelements
zu dem umzuformenden Bereich (10) bzw. zur Aufweitungszone nachgeschoben wird und/oder
- der umzuformende Bereich (10) unter Wandverdickung in axialer Richtung verkürzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Nachschieben des Materials zu dem umzuformenden Bereich (10) mittels eines das
Rohr- und/oder Stangenelement (R) innen abstützenden Dorns (3) bewerkstelligt wird,
- der sich während des Aufweitvorgangs in Richtung auf die zweiten Matrize (4) zu
bewegt, und über eine entsprechende Oberflächenstruktur verfügt, mittels der Material
des Rohr- und/oder Stangenelements (R) zu dem umformenden Bereich (10) bzw. zur Aufweitungszone
nachgeschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenstruktur des Dorns (3) rauh gestaltet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine oder mehrere Riefen und/oder Rillen und/oder Wülste und/oder Nuten (14) oder
dergleichen am Dorn (3) vorgesehen sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Nachschieben des Materials über einen beweglichen ersten Anschlag (8') bewerkstelligt
wird, der stirnseitig ein in der ersten Matrize (2) aufgenommenes Ende (6) des Rohr-
und/oder Stangenelements (R) während des Aufweitvorgangs in Richtung der zweiten Matrize
(4) hin bewegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der bewegliche Anschlag (8') in Form eines Ringes oder Hülse (17) ausgebildet ist
und stirnseitig an einer Stirnfläche (7) am Ende (6) des Rohr- und/oder Stangenelements
(R) zur Anlage gelangt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der zweiten Matrize (4) ein zweiter Anschlag (19, 23) vorgesehen, an dem der umzuformende
Bereich (10) des Rohr- und/oder Stangenelements (R) stirnseitig abstützbar ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Anschlag (19, 23) wenigstens ein relativbeweglich an der zweiten Matritze
(4) gelagertes Druckelement umfasst, welches den umzuformenden Bereich (10) des Rohr-
und/oder Stangenelements (R) wenigstens abschnittsweise stirnseitig abstützt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckelement mittels einer Feder und/oder eines fremdbetätigbaren Antriebs verstellbar
ausgeführt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere separat voneinander verstellbare Druckelemente vorgesehen sind, die insbesondere
ringförmig an der zweiten Matritze (4) angeordnet sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der zweiten Matrize (4) ein insbesondere dritter Anschlag (19) vorgesehen ist,
an dem der umzuformende Bereich (10) des Rohr- und/oder Stangenelements stirnseitig
abstützbar ist, wobei der insbesondere dritte Anschlag (19) wenigstens abschnittsweise
in das Rohr- und/oder Stangenelement eingreift und mit dem zweiten Anschlag (23) einen
Winkel von 70° bis 100° einnimmt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zweiten Verfahrensschritt mittels eines zweiten Axialpressvorgangs einer
zur Ausformung bereitgestellten dritten Matrize (5) das Rohr- und/oder Stangenelement
(R) im Bereich eines trichterförmig aufweiteten bzw. umgeformten Endes (9) in seine
Endform (18) umgeformt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Endform (18) als Flansch ausgeführt ist, der Verdickungen zum Aufbringen von stirnseitigen
oder radialen Verzahnungen, Rändeln und dergleichen oder zum Aufbringen von Verstärkungen
zum Anschweißen von Hebeln und dergleichen aufweist.