Verfahren und Vorrichtung zum hydraulischen Aufweiten von Hohlprofilen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufweiten von an den Stirnflächen an sich offenen Hohlprofilen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, auf eine Form, die durch ein das Hohlprofil umgebendes geteiltes Außenwerkzeug vorgegeben ist, wobei die Stirnflächen mittels Dichtköpfen verschlossen werden und innerhalb des Hohlprofils ein hydraulischer Innendruck zur Verformung aufgebracht wird. Um ein Verfahren zur hydraulischen Auf­weitung von metallischen Hohlprofilen anzugeben, das möglichst einfach durchführbar ist und bei dem insbesondere die Abdichtung des Hohlprofils ohne großen Vorrichtungs­aufwand erfolgt, wird vorgeschlagen, daß der starre Teil der Dichtköpfe jeweils über einen elastischen hohlen Dichtring gegenüber dem Hohlprofil abgedichtet wird, indem der Dichtring in seinem Inneren mit einem Druck P₁, der stets größer als der zur Verformung des Hohlprofils gerade angewendete Druck P₂ gehalten wird, beaufschlagt und zur Anlage an die innere oder äußere Oberfläche des Hohlprofils gebracht wird, wobei die Aufweitung des Hohlprofils im Bereich des Dichtringes von außen auf ein Maß begrenzt wird, das innerhalb der Anpassungsmöglichkeit des Dichtringes an die Oberfläche des Hohlprofils liegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen Aufweiten von Hohlprofilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Als Hohlprofile in diesem Sinne werden rohrförmige Körper aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Stahl, angesehen, die eine beliebige Querschnittsform aufweisen können.

[0002] Für maschinenbauliche Zwecke werden häufig Bauteile benötigt, die als gestreckte, ggf. auch gekrümmte Körper ausgeführt sind, deren Querschnittsform sich entlang ihrer Längenausdehnung erheblich ändert. Aus Gewichtsgründen ist man in vielen Fällen daran interessiert, diese Bauteile als Hohlkörper zu gestalten. Um den Herstellungsaufwand gering zu halten, wurde schon vorgeschlagen, als Ausgangsmaterial ein rohrförmiges Halbzeug zu wählen und die gewünschte Endform durch Aufweiten des Ausgangsmaterials zu erzielen.

[0003] Aus der DE-PS 29 35 086 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem die Aufweitung eines Hohlprofils durch hydraulischen Innendruck vorgenommen und die äußere Formgebung durch ein entsprechendes starres, geteiltes Außenwerkzeug erreicht wird. Die Verformung wird durch zusätzlichen Axialdruck auf das Hohlprofil unterstützt. Zu Beginn der Umformung ist das Hohlprofil von außen bis auf einen mittigen Bereich vollständig durch sogenannte Führungsstutzen umhüllt, welche erst im Verlaufe der Umformung nach und nach in Richtung der Längsachse zurückgezogen werden und so den eigentlichen Formraum des Außenwerkzeugs sukzessive freigeben. Die an sich offenen Stirnflächen des Hohlprofils sind durch die Dichtflächen von Kolbenstangen, die in das Hohlprofil eingeführt sind und den zusätzlichen Axialdruck aufbringen, abgedichtet.

[0004] Eine zusätzliche Abdichtung ergibt sich dadurch, daß die Kolbenstangen jeweils von den Führungsstutzen dicht umschlossen sind, mit denen der Formraum des Außenwerkzeugs freigegeben wird.

[0005] Das bekannte Verfahren erfordert einen hohen apparativen Aufwand und ist nicht geeignet für die Herstellung von Bauteilen, die entlang ihrer Längsausdehnung gekrümmt oder abgewinkelt sind. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß die Lage der Abdichtung des Hohlprofils für die hydraulische Aufweitung eine genaue Vorbearbeitung der Dichtflächen am Halbzeug und eine exakte Abstimmung der Kolbengeometrie auf die Halbzeugabmessungen erfordern. Die jeweiligen Toleranzen bei der Halbzeugherstellung können zu Verarbeitungsproblemen führen.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur hydraulischen Aufweitung von metallischen Hohlprofilen vorzuschlagen, das möglichst einfach durchführbar ist und bei dem insbesondere die Abdichtung des Hohlprofils ohne großen Vorrichtungsaufwand erfolgt.

[0007] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Unteranspruch 2 gekennzeichnet. Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Anspruch 3 angegeben und in den Unteransprüchen 4 - 8 in vorteilhafter Weise ausgestaltet.

[0008] Wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, die an sich offenen Stirnseiten des aufzuweitenden Hohlprofils mit starren Dichtköpfen zu verschließen, die die innere oder äußere Oberfläche des Hohlprofils zwar eng, aber mit Abstand umschließen. Der dazwischenliegende Dichtspalt wird mit einem elastischen Dichtring abgedichtet, der als Hohlkörper ausgeführt und mit Innendruck beaufschlagbar ist.

[0009] Der Dichtring ist darüberhinaus in der Weise in dem Dichtkopf gekammert, daß er sich infolge des Innendrucks nur in Richtung auf die Außen- bzw. Innenoberfläche des abzudichtenden Hohlprofils ausdehnen kann und auf dieser zur dichten Anlage kommt. Die Kammerung des Dichtringes bewirkt also, daß das elastische Material nicht seitlich ausweichen kann. Da im Dichtspalt auch der hydraulische Aufweitedruck ansteht, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Innendruck im Dichtring stets soweit über diesem Aufweitedruck gehalten wird, daß der Anpreßdruck des Dichtringes auf der Oberfläche des Hohlprofils immer über dem Aufweitedruck liegt und so eine sichere Abdichtung gewährleistet ist. Aufgrund der Elastizität ist der Dichtring in der Lage, Fertigungstoleranzen hinsichtlich Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit problemlos aufzufangen. Bei einer Abdichtung auf der Außenoberfläche des Hohlkörpers, wenn also der Dichtkopf die Stirnseiten des Hohlprofils außen umfaßt, wirken die Seitenwände der Dichtringkammer hinsichtlich der Aufweitung des Hohlkörpers als mechanische Anschläge. Im Falle der Abdichtung mit einem innenliegenden Dichtkopf muß außen ein solcher Anschlag als gesonderte Abstützung vorgesehen werden, zumal der Dichtdruck ohnehin höher liegt als der eigentliche Aufweitedruck. Die Einstellung des Dichtdrucks kann in der Weise erfolgen, daß der Dichtdruck kontinuierlich entsprechend der Zunahme des Aufweitedruckes gesteigert wird. Zweckmäßigerweise liegt er jeweils 10 - 20 % über dem aktuellen Aufweitedruck.

[0010] Es ist ohne weiteres möglich und für manche Fälle vorteilhaft, den Dichtring in zwei oder mehr an sich unabhängige Abschnitte aufzuteilen, die jeweils einzeln an die Druckversorgung anzuschließen sind. Auf diese Weise lassen sich ggf. Anpassungen an unregelmäßige Querschnittgeometrien der aufzuweitenden Hohlprofile unter Verwendung des gleichen Dichtkopfes leichter realisieren.

[0011] In jedem Fall bleibt die Dichtfunktion gewährleistet, da sich die elastischen Teilstücke des Dichtringes auch aneinander dicht anlegen, sobald sie mit einem ausreichenden Innendruck beaufschlage werden.

[0012] Damit die Dichtköpfe durch den Aufweitedruck nicht in axialer Richtung vom aufzuweitenden Hohlprofil weggedrückt werden, müssen sie von entsprechenden Gegenkräften gehalten werden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Zugelemente, die die gegenüberliegenden Dichtköpfe miteinander verbinden. Diese Zugelemente können außerhalb des Hohlprofils angebracht sein, können aber auch in diesem liegen. Flexible, d.h. biegbare innenliegende Zugelemente (z.B. Seil oder Kette) werden vorteilhaft eingesetzt, wenn das aufzuweitende Hohlprofil ursprünglich eine gerade Form (z.B. kreiszylindrisches Rohr) aufweist und in eine gebogene Endform überführt werden soll. In diesem Fall müssen die Endbereiche des Rohres, die mit den Dichtköpfen verschlossen sind, eine örtliche Verlagerung ausführen können, was aufgrund der Biegbarkeit der Zugelemente ermöglicht wird. In anderen Fällen wird es zweckmäßig sein, die Halterung für die Dichtköpfe in das Außenwerkzeug zu integrieren.

[0013] Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Während Figur 1 einen axialen Längsschnitt durch ein Hohlprofil mit zwei Außendichtköpfen und einem Außenwerkzeug zeigt, ist in Figur 2 ein Beispeil für einen Innendichtkopf mit Außenabstützung des Hohlprofils wiedergegeben. Teile mit gleichen Bezugszeichen haben in beiden Figuren gleiche Funktion.

[0014] Das Hohlprofil 1, z.B. ein zylindrisches Stahlrohr, wird an seinen Stirnseiten von zwei Außendichtköpfen 2a, 2b verschlossen. Die Außendichtköpfe 2a, 2b sind starr (im Hinblick auf eine Verformung durch den Aufweitedruck p₂) und weisen eine als Sackloch ausgeführte Öffnung auf, dessen Mantelkontur etwa derjenigen des aufzuweitenden Hohlprofils 1 entspricht. In der Mantelfläche dieser Öffnung ist eine Ringkammer 11 eingebettet, die zur Außenoberfläche des Hohlprofils 1 hin offen ist und einen Dichtring 3 aus elastischen Werkstoffen aufnimmt. Der Dichtring 3 ist innen hohl und an eine hydraulische Druckquelle (Druckspeicher 7) angeschlossen. Sobald der Dichtring 3 mit dem Innendruck p₁ beaufschlagt wird, wird seine äußere Form verändert. Da die Ringkammer 11 den Dichtring 3 eng auf drei Seiten umschließt, kann dieser sich nur in Richtung auf die Außenoberfläche des Hohlprofils 1 ausdehnen und sich an diese dicht anlegen. Auf diese Weise wird der Ringspalt 6 zwischen der Außenoberfläche des Hohlprofils 1 und der Mantelfläche der Öffnung im Dichtkopf 2a, 2b abgedichtet. Die beiden Dichtköpfe 2a, 2b sind durch das Zugelement 5 (z.B. Stange, Seil, Kette) in der Weise miteinander verbunden, daß sie von dem Aufweitedruck p₂, der durch eine Zuleitung vom Druckspeicher 8 durch den Außendichtkopf 2a in das Hohlprofil 1 eingeleitet werden kann, nicht nach außen weggedrückt werden können, also sich nicht auf dem Hohlprofil 1 verschieben können. Der eigentliche Verformungsbereich des Hohlprofils 1 ist von einem Außenwerkzeug 4 umschlossen, welches die äußere Form des aufgeweiteten Hohlprofils festlegt.

[0015] Die Funktionsweise der Vorrichtung ist die, daß zu Beginn des Verfahrens zunächst die Dichtringe 11 mit Innendruck p₁ beaufschlagt werden und zur dichten Anlage an die Außenoberfläche des Hohlprofils 1 gebracht werden. Erst dann wird hydraulischer Druck im Inneren des Hohlprofils 1 erzeugt. Während der Druck p₂ gesteigert wird, ist gewährleistet, daß der Druck p₁ immer größer als p₂ ist, damit die Dichtwirkung erhalten bleibt.

[0016] Sobald der Innendruck p₂ soweit gesteigert ist, daß die Zugspannungen in der Wandung des Hohlprofils 1 die Fließgrenze überschreiten, findet eine zunehmende Annäherung des Hohlprofils 1 an die Innenkontur des Außenwerkzeugs 4 statt. Die beiden Dichtköpfe 2a, 2b werden während des Verformungsprozesses durch die Zugstange 5 unverändert in ihrer Lage zueinander gehalten.

[0017] Anstelle der Außendichtköpfe 2a, 2b können, wie aus Figur 2 hervorgeht, auch Innendichtköpfe 9 eingesetzt werden, die eine Abdichtung des Dichtkopfes 9 gegenüber der Innenoberfläche des Hohlprofils 1 gewährleisten. Die Funktion des Dichtringes 3 ist dabei vollständig entsprechend der in Figur 1, d.h. die nach außen offene Ringkammer 11 läßt nur eine Ausdehnung des Dichtrings 3 nach außen auf die Innenoberfläche des Hohlprofils 1 zu. Da sich das Hohlprofil 1 unter der Wirkung des Dichtdruckes p₁ aufweiten würde, ist es in diesem Fall notwending, eine Außenabstützung 10 für das Hohlprofil 1 gesondert vorzusehen. Unabhängig von der Art des Dichtkopfes (innen oder außen) ist es im Regelfall notwendig, die im Bereich der Dichtköpfe liegenden Enden der aufgeweiteten Hohlprofile 1 abzuschneiden, da diese nicht der gewünschten Endform des Hohlprofils 1 entsprechen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es mit geringem apparativen Aufwand durchführbar ist. Außerdem ermöglicht es die Herstellung von aufgeweiteten Hohlprofilen, deren Längsachse gekrümmt ist, auch wenn von einem geraden Halbzeug als Einsatzmaterial ausgegangen wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Aufweiten von an den Stirnflächen an sich offenen Hohlprofilen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, auf eine Form, die durch ein das Hohlprofil umgebendes geteiltes Außenwerkzeug vorgegeben ist, wobei die Stirnflächen mittels Dichtköpfen verschlossen werden und innerhalb des Hohlprofils ein hydraulischer Innendruck zur Verformung aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der starre Teil der Dichtköpfe jeweils über einen elastischen hohlen Dichtring gegenüber dem Hohlprofil abgedichtet wird, indem der Dichtring in seinem Inneren mit einem Druck p₁, der stets größer als der zur Verformung des Hohlprofils gerade angewendete Druck p₂ gehalten wird, beaufschlagt und zur Anlage an die innere oder äußere Oberfläche des Hohlprofils gebracht wird, wobei die Aufweitung des Hohlprofils im Bereich des Dichtringes von außen auf ein Maß begrenzt wird, das innerhalb der Anpassungsmöglichkeit des Dichtringes an die Oberfläche des Hohlprofils liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck p₁ im Dichtring mindestens um 10 - 20 % über dem jeweiligen hydraulischen Aufweitedruck p₂ gehalten wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem geteilten starren Außenwerkzeug für die Außenkontur des aufzuweitenden Hohlprofils, mit zwei Dichtköpfen, die durch Zugelemente miteinander verbindbar sind, und mit Mitteln zur Erzeugung unterschiedlicher hydraulischer Drücke,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Dichtkopf (2a, 2b, 9) mit einem hohlen mit hydraulischem Innendruck beaufschlagbaren Dichtring (3) aus elastischem Material ausgestattet ist, der in eine Ringkammer (11) des Dichtkopfes (2a, 2b, 9) eingelassen ist, welche auf der der Oberfläche des Hohlprofils (1) zugewandten Seite offen ist und deren Seitenwände bis dicht an die Oberfläche des Hohlprofils (1) heranreichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei auf der Innenseite des Hohlprofils (1) angeordneten Dichtköpfen (9) im Wirkbereich des Dichtrings (3) jeweils außen eine Abstützung (10) des Hohlprofils (1) zur Begrenzung seiner Aufweitung in diesem Bereich vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtringe (2a, 2b, 9) jeweils in Teilstücke aufgeteilt sind, die einzeln mit dem hydraulischen Innendruck beaufschlagbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zugelemente (5) zur Verbindung der Dichtköpfe (2a, 2b, 9) im Inneren des Hohlprofils (1) liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zugelemente (5) zumindest in Teilbereichen flexibel (z.B. als Seil oder Kette) ausgeführt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtköpfe (2a, 2b, 9) über das Außenwerkzeug in ihrer Lage zueinander fixiert sind.

Zeichnung