Verfahren zum Umformen von Rohrelementen und Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Rohrelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass in einem Verfahrensschritt ein Rohrelement (5) in eine das Rohrelement (5) außenseitig umgreifende Matrize (1, 2) eingebracht wird, wobei die Matrize (2) an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an der Matrize (2) innenseitig eine dem Rohrelement (5) zugewandte Ausnehmung (A) gebildet ist, und dass in einem Verfahrensschritt ein Dorn (3, 4) in das Rohrelement (5) eingesetzt wird, und dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Rohrelement (5) in axialer Richtung gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird.
Anwendung beispielsweise zur Herstellung von Getriebewellen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein verfahren zum Umformen von Rohrelementen mit einem Bund sowie ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen mit einem Flansch.

[0002] Hohlwellen mit einem innenseitigen Flansch werden in bereits bekannter Weise beispielsweise aus dem Vollen gedreht oder ausgehend von einem vorgeschmiedeten Rohteil innenseitig hohlgedreht. Dabei kann ein außenseitiger Flansch mit eingearbeitet werden, wobei die genannten Verfahren jedoch den Nachteil eines erheblichen Materialaufwandes bzw. Späneabfalls haben.

[0003] Des Weiteren besteht die an sich bekannte Möglichkeit des Kaltfließpressens zur Herstellung von Hohlwellen oder Rohrelementen mit einem Bund oder Flansch. Hierbei sind in Abhängigkeit von der Geometrie der herzustellenden Bauteile ggf. erhebliche Kräfte zur Umformung erforderlich, die wiederum kostenintensive und aufwändige Umformwerkzeuge erfordern.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine einfach durchführbare plastische Umformung von vorgefertigten Rohrelementen zur Herstellung von Halbfertigteilen mit einem ausgedehnten Bund ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf besonders einfache Weise auch in geringen Stückzahlen kostengünstig herstellbare Hohlwellen mit einem ausgedehnten Flansch zur Verfügung gestellt werden können.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Umformen von Rohrelementen, bei dem in einem Verfahrensschritt ein Rohrelement in eine das Rohrelement außenseitig umgreifende Matrize eingebracht wird, wobei die Matrize an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an der Matrize innenseitig eine dem Rohrelement zugewandte Ausnehmung gebildet ist, in einem Verfahrensschritt ein Dorn in das Rohrelement eingesetzt wird, in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Rohrelement in axialer Richtung gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird sowie in einem Verfahrensschritt die Geometrie, insbesondere eine axiale Erstreckung der Ausnehmung verändert wird.

[0006] Als Rohrelemente sind bevorzugt kurze, insbesondere dickwandige Rohre vorgesehen, die einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße verfahren auch auf nicht rotationssymmetrische Rohrelemente anwendbar. Ein Rohrelement wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit möglichst geringem Spiel in die Matrize eingesetzt, wobei der Dorn das Rohrelement mit kleinem Spiel durchgreift. Bei einem Stauchungsvorgang wird das jeweilige Rohrelement in einer ersten Phase derart plastisch umgeformt, dass Material des Rohrelements in die Ausnehmung eindringt. Die Geometrie bzw. die Abmessungen der Ausnehmung bestimmen dabei den Umfang der plastischen Umformung des Rohrelements; somit ermöglicht eine Veränderung der Geometrie der Ausnehmung eine gezielte Beeinflussung und Führung des Umformprozesses. Insbesondere eine Vergrößerung der axialen und/oder radialen Erstreckung der Ausnehmung gestattet während des Umformverfahrens zunächst eine eingeschränkte und anschließend in einer zweiten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges eine erweiterte Umformung des Rohrelements, wobei eine in der ersten Phase kleinere Erstreckung der Ausnehmung ein Ausknicken und eine Faltenbildung seitens des Rohrelements vermeiden hilft. Eine im Verlauf des Umformverfahrens (zweite Phase) vergrößerte Erstreckung der Ausnehmung ermöglicht hingegen eine Erzeugung eines ausgedehnten Wulstes bzw. Flansches an dem Rohrelement durch plastisches Umformen (z.B. Fließpressen) desselben.

[0007] In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens ist die Matrize zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Matrizenteil sowie einen zweiten Matrizenteil unterteilt. Die Matrizenteile lassen sich somit voneinander trennen und ermöglichen eine zwanglose Ablösung vom Rohrelement. Dies gilt insbesondere, wenn die Ausnehmung im Bereich der Trennfläche der beiden Matrizenteile vorgesehen ist, und ein mit Hilfe des Verfahrens erzeugter außenseitiger Bund im Bereich der Trennfläche der Matrizenteile und vorzugsweise in einem mittleren Abschnitt des Rohrelements angeordnet ist. Bei Bedarf können die Matrizenteile während wenigstens eines Verfahrensschrittes mechanisch oder auf andere Weise lösbar miteinander verbunden sein.

[0008] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens wird in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements der erste Matrizenteil gegen den zweiten Matrizenteil verstellt, wobei insbesondere zu Beginn einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements ein Spalt zwischen dem ersten Matrizenteil und dem zweiten Matrizenteil vorgesehen ist. Durch den Verstellweg (Spalt) zwischen den Matrizenteilen können die während des Umformungsprozesses erforderlichen Kräfte und das Umformverhalten des Rohrelements in der ersten Phase des Umformvorganges beeinflusst werden. Insbesondere bewirkt ein vergrößerter Spalt eine Begünstigung des Stoff-Flusses seitens des Rohrelements nach außen und ein reduzierter Spalt eine Begünstigung des Stoff-Flusses nach innen.

[0009] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens wird mit Hilfe der Verstellung der Matrizenteile gegeneinander zugleich eine Veränderung der Geometrie, insbesondere der axialen Erstreckung der Ausnehmung herbeigeführt wird. Dabei ist vorzugsweise die Ausnehmung im Bereich der Trennfläche der beiden Matrizenteile und/oder in dem Spalt zwischen den Matrizenteilen angeordnet. Entsprechend wird in diesem Fall die Geometrie der Ausnehmung durch die Verstellung der Matrizenteile gegeneinander verändert. Dadurch kann beispielsweise eine weitere plastische Umformung des in die Ausnehmung verdrängten Materials erreicht werden. In dem Spalt zwischen den Matrizenteilen können einer oder mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, über die Kräfte von einem Matrizenteil auf den jeweils anderen übertragbar sind.

[0010] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens vollführt in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements der zweite Matrizenteil dieselbe Bewegung wie der erste Matrizenteil. Die Matrizenteile bilden dabei vorzugsweise eine Einheit, die die Form des Rohrelementes nach dieser Phase des Umformvorgangs genau umrissen festlegt.

[0011] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens weist der Dorn an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart auf, dass an dem Dorn eine dem Rohrelement zugewandte Vertiefung gebildet ist. Spätestens in einer zweiten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges erfolgt dabei eine Verdrängung von Material sowohl in die Ausnehmung als auch in die Vertiefung, wodurch ein Rohrelement gebildet werden kann, das sowohl einen nach außen abragenden Bundabschnitt als auch einen nach innen ragenden Bundabschnitt aufweist.

[0012] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens wird in einem Verfahrensschritt das Rohrelement in axialer Richtung gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt, wobei zugleich Matrize und Dorn relativ zueinander verstellt werden. Bei einem Vorsehen sowohl einer Ausnehmung seitens der Matrize als auch einer Vertiefung seitens des Dorns kann in einer zweiten oder dritten Phase des Stauchungs- und Umformvorganges vorteilhafterweise eine relative Verstellung von Matrize und Dorn zueinander vorgesehen sein. Dabei werden auch die Ausnehmung und die Vertiefung gegeneinander verstellt, so dass in die Ausnehmung und/oder in die Vertiefung eingedrungenes Material weiter umgeformt wird.

[0013] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens ist der Dorn zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Dornteil sowie einen zweiten Dornteil unterteilt. Die Dornteile lassen sich somit voneinander trennen und ermöglichen eine zwanglose Entnahme aus dem Rohrelement. Dies gilt insbesondere, wenn die Vertiefung im Bereich der Trennfläche der beiden Dornteile vorgesehen ist, und ein mit Hilfe des Verfahrens erzeugter innenseitiger Bund im Bereich der Trennfläche der Dornteile, vorzugsweise in einem mittleren Bereich des Rohrelements angeordnet ist. Die Dornteile können bei Bedarf während wenigstens eines Verfahrensschrittes mechanisch oder auf andere Weise lösbar miteinander verbunden sein.

[0014] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens ist ein Matrizenteil während der plastischen Umformung des Rohrelements in axialer Richtung mittels eines ersten Federelementes abgestützt. Damit ist eine entsprechend der Federkraft des ersten Federelements veränderliche Abstützkraft auf den Matrizenteil aufgeprägt.

[0015] In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens ist das erste Federelement hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbar, insbesondere hinsichtlich seiner Federkraft verstellbar und/oder in einen nicht federnden Zustand überführbar ausgestaltet. Vorzugsweise ist dem ersten Federelement hierzu eine Arretierung zugeordnet, die allerdings auch als separate Bremse ausgestaltet sein kann. Als besonders einfach hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbares Federelement ist eine gesondert ansteuerbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder vorsehbar. In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens ist ein Dornteil während der plastischen Umformung des Rohrelements in axialer Richtung mittels eines zweiten Federelementes abgestützt. Vorzugsweise ist ein Dornteil über das zweite Feder-element mit einem Matrizenteil oder mit einem feststehenden Rahmen gekoppelt. Als zweites Federelement ist eine hydraulische, pneumatische und/oder mechanische Feder vorsehbar. In weiterer Ausgestaltung des Umformverfahrens wird das Rohrelement vor der plastischen Umformung wenigstens abschnittsweise erwärmt und/oder thermisch geschwächt. Eine thermische Schwächung des Rohrelements erfolgt vorzugsweise über eine direkte lokale oder auch vollständige Erwärmung des Rohrelements selbst und/oder auch des Umformwerkzeugs, welches Wärme auf das Rohrelement transferieren kann.

[0016] Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einem Verfahrensschritt an einem Rohrelement durch plastische Umformung des Rohrelements, insbesondere durch Stauchen, ein Bund hergestellt wird, der an dem Rohrelement eine ringförmige Wandverdickung darstellt, und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mittels einer das Rohrelement außenseitig umgreifenden Matrize ein außenseitiger Bundabschnitt relativ zu einem Schwerpunkt des Rohrelements und/oder einem innenseitigen Bundabschnitt axial verschoben wird, wobei das Rohrelement gleichzeitig axial gestaucht wird. Das Rohrelement ist vorzugsweise über die gesamte Dauer des Umformvorgangs wenigstens abschnittsweise außenseitig und bevorzugt auch innenseitig mit kleinem Spiel abgestützt, so dass der Fluss des Rohrelement-Werkstoffs während des Umformvorgangs gezielt geführt bzw. geleitet wird. Bei einer axialen stauchung des Rohrelements und einer gleichzeitigen axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts relativ zum Schwerpunkt des Rohrelements und/oder zu einem innenseitigen Bundabschnitt kann im Bereich des außenseitigen Bundabschnitts und ggf. auch im Bereich des innenseitigen Bundabschnitts ein Werkstoff-Fluss erzeugt werden, der sowohl radial nach außen als auch radial nach innen gerichtet ist. Infolge dessen lassen sich in einem einheitlichen Umformprozess ein äußerer und ggf. auch ein innerer Flansch an dem Rohrelement ausformen. Eine gezielte lokale oder vollständige Erwärmung des Rohrelements kann zu einer weiteren Beeinflussung des Werkstoff-Flusses während des Umformvorgangs herangezogen werden. Insbesondere lässt sich durch eine gezielte lokale Erwärmung des Rohrelements vor dem Umformvorgang die axiale Positionierung und Erstreckung des innenseitigen Bundabschnitts steuern.

[0017] In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden während der axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts relativ zu dem innenseitigen Bundabschnitt beide Abschnitte plastisch umgeformt. Es ergibt sich dabei ein lokal besonders hoher Umformgrad, der die Ausformung verschiedener Details an dem Rohrelement ermöglicht. Insbesondere ist eine Erzeugung eines innenseitigen Flansches ermöglicht, der keiner weiteren wesentlichen Nachbearbeitung bedarf und verschiedenste vorgebbare Formen aufweisen kann.

[0018] In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement innenseitig von einem Dorn gestützt, dem eine Vertiefung zugeordnet ist, die zum einen eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts relativ zum Dorn ermöglicht und zum anderen die zu erzielende Form des innenseitigen Bundabschnitts definiert. Eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts relativ zum Dorn ist während des Umformvorganges insbesondere dann vorsehbar, wenn und solange der innenseitige Bundabschnitt seinerseits aus- bzw. umgeformt und verändert wird.

[0019] In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement nach der plastischen Umformung außenseitig spanend endbearbeitet. In diesem Fall kann bei den vorangegangenen Umformschritten dem außenseitigen Bundabschnitt eine gröbere Form gegeben werden, wobei eine spanende Feinbearbeitung für eine gewünschte Außengeometrie der Hohlwelle sorgt.

[0020] In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird das Rohrelement vor der plastischen Umformung lokal, insbesondere im Bereich eines zu erzeugenden Bunds, erwärmt und/oder thermisch geschwächt. Damit wird der Stoff-Fluss im Rohrelement vor allem zur Formung des innenseitigen Bundabschnitts beeinflusst. Es sind Temperaturen von ca. 100°C bis hin zur Rekristallisationstemperatur des jeweiligen Werkstoffs, bei Stählen vorzugsweise Temperaturen um 750°C vorgesehen.

[0021] Weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der anschließenden Beschreibung und aus den Zeichnungen.

[0022] Hierzu zeigen

Fig. 1

schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umform-bzw. Herstellungsverfahrens in einer ersten Arbeitsposition,

Fig. 2

die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer zweiten Arbeitsposition,

Fig. 3

die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer dritten Arbeitsposition,

Fig. 4

schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umform-bzw. Herstellungsverfahrens in einer ersten Arbeitsposition,

Fig. 5

die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer zweiten Arbeitsposition,

Fig. 6

die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer dritten Arbeitsposition,

Fig. 7

die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer vierten Arbeitsposition und

Fig. 8

die Vorrichtung nach Fig. 4 in einer fünften Arbeitsposition.

[0023] In Fig. 1 ist ein Umformwerkzeug zur plastischen Umformung eines Rohrelements 5 schematisch dargestellt. Die gesamte Anordnung ist dabei in etwa rotationssymmetrisch bezüglich der Achse Z ausgebildet. Das Umformwerkzeug umfasst eine Matrize, die in einen ersten Matrizenteil 1 und einen zweiten Matrizenteil 2 geteilt ist. Das Umformwerkzeug umfasst ferner einen Dorn 3, 4, der in einen ersten Dornteil 3 und einen zweiten Dornteil 4 unterteilt ist. Dorn und Matrize sind in ein Presswerkzeug 6, 7 eingesetzt, wobei der erste Matrizenteil 1 mit einem beweglichen Pressenstößel 7 und der zweite Dornteil 4 mit einem ortsfesten Pressengegenhalter 6 gekoppelt ist. Der Pressengegenhalter ist auf einem als inertial anzusehenden Pressentisch bzw. -ständer fixiert (nicht näher dargestellt).

[0024] Ferner ist in nicht näher dargestellter Weise eine Induktionsheizung zur Erwärmung des Rohrelements vorgesehen.

[0025] Das Rohrelement 5 ist beispielsweise als nahtlos erformtes oder geschweißtes Rohteil aus einem chrom- und molybdänhaltigen Stahl ausgeführt und weist einen bevorzugt kreisringförmigen Querschnitt auf. Das Rohrelement 5 weist eine größere bis mittlere Wandstärke auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei Rohrelementen mit einem Verhältnis Durchmesser zu Wandstärke von ca. 7 : 1 vorteilhaft ausführbar ist. Bei der Verwendung von geschweißten Rohrelementen mit einer wandstärke von ca. 8 mm können also neben kleineren Rohrdurchmessern auch Durchmesser von über 50 mm realisiert werden.

[0026] Die Matrize 1, 2 umgreift das Rohrelement 5 außenseitig mit geringem Spiel. In einem mittleren Bereich des Rohrelements 5, der benachbart positioniert ist zum mittleren Bereich der Matrize 1, 2, ist eine ringförmig umlaufende Ausnehmung A mit einer Breite b vorgesehen, die einen gegenüber anderen, axial beabstandeten Bereichen der Matrize einen geänderten bzw. reduzierten Querschnitt aufweist. Die Ausnehmung A ist dem Rohrelement zugewandt an der Innenseite der Matrize angeordnet und kann je nach Bedarf unterschiedliche Innenkonturen und Abmessungen aufweisen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich die Ausnehmung direkt an einer Trennfläche T der beiden Matrizenteile 1, 2, so dass die Ausnehmung A an mehreren Seiten von dem zweiten Matrizenteil 2 und an wenigstens einer Seite von dem ersten Matrizenteil 1 begrenzt ist. An der Ausnehmung A ist das Rohrelement außenseitig nicht abgestützt.

[0027] Im Bereich der Trennfläche T befindet sich vorzugsweise ebenfalls ein Spalt t, der zu Beginn des erfindungsgemäßen Umformverfahrens zwischen den Matrizenteilen 1, 2 gebildet ist und die Breite b der Ausnehmung A quasi zusätzlich vergrößert. Im Bereich des Spalts t ist das Rohrelement 5 ebenfalls außenseitig nicht abgestützt. Der Spalt t ist vor der Durchführung des Umformverfahrens je nach Bedarf in seiner Größe variierbar bzw. einstellbar.

[0028] In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der Matrize mehrere ringförmige, axial voneinander beabstandete Ausnehmungen vorgesehen; bevorzugt sind hier axial teilbare Matrizenteile vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der Ausnehmung zur Veränderung der Querschnittsform der Ausnehmung ein oder mehrere ringförmige Einsatzelemente vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Ausnehmung nur über einen Teil des Umfangs des Rohrelements, wobei bevorzugt mehrere Ausnehmungen gleichmäßig über den Umfang des Rohrelements verteilt angeordnet sein können.

[0029] Der zweite Matrizenteil 2 ist prinzipiell axial (d.h. entlang der Linie Z) verschieblich gelagert, zu Beginn des Umformverfahrens jedoch mittels einer Arretierung fixiert. Eine derartige Arretierung kann in ein Federelement 8 integriert sein, wobei über das Federelement 8 der zweite Matrizenteil 2 mit der Kraft S der Feder 8 gegen den ersten Matrizenteil 1 gedrückt werden kann (vgl. Fig. 2). Das Federelement 8 ist bevorzugt als verstellbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder ausgeführt, so dass die Federeigenschaften des Federelements 8 veränderbar sind. Damit wäre insbesondere die Federkraft S des Federelements 8 frei einstellbar.

[0030] Der Dorn bzw. die beiden Dornteile 3, 4 durchgreifen das Rohrelement 5 innenseitig mit geringem Spiel, so dass sie mit der Matrize korrespondierend das Rohrelement 5 an einem definierten Ort im Presswerkzeug 6, 7 halten. Zwischen den Dornteilen 3, 4 verläuft eine Trennfläche D, an der die Dornteile 3, 4 lösbar miteinander verbunden sein können und/oder an der die Dornteile 3, 4 berührend aneinander stoßen. Korrespondierend zur Ausnehmung A seitens der Matrize 1, 2 weist der Dorn 3, 4 in einem mittleren Bereich eine nutartige Vertiefung V auf, die an mehreren Seiten vom zweiten Dornteil 4 und an wenigstens einer Seite vom ersten Dornteil 3 begrenzt wird.

[0031] In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu Beginn des Verfahrens ein Spalt zwischen den Dornteilen vorgesehen, wobei der Spalt die Vertiefung zusätzlich vergrößert. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in dem Dorn mehrere ringförmige, axial voneinander beabstandete Vertiefungen vorgesehen; bevorzugt sind hier in axialer Richtung getrennte Dornteile vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind in der vertiefung zur Veränderung der Querschnittsform der Vertiefung ein oder mehrere ringförmige Einsatzelemente vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Vertiefung nur über einen Teil des Umfangs des Dorns, wobei bevorzugt mehrere vertiefungen gleichmaßig über den Umfang des Rohrelements verteilt angeordnet sein können.

[0032] Der erste Dornteil 3 ist über eine hydraulische oder pneumatische Feder 9 an dem ersten Matrizenteil 1 festgelegt, wobei der Federweg (axiale Längenänderung der Feder) in etwa der Längenänderung des Rohrelements 5 während des erfindungsgemäßen Umformverfahrens entspricht bzw. diese übersteigt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Feder 9 in den ersten Dornteil 3 integriert.

[0033] In einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung einer Hohlwelle wird das Rohrelement 5 als geschmiedetes oder geschweißtes Rohteil erzeugt. Es können sich weitere Grobbearbeitungsschritte und/oder Temperaturbehandlungen anschließen.

[0034] Nachfolgend wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, welches bevorzugt als Teil des Verfahrens zur Herstellung einer Hohlwelle angesehen werden kann, das Rohrelement 5 in seinem mittleren Bereich lokal auf eine Temperatur von beispielsweise ca. 750°C erwärmt und rasch in das Umformwerkzeug eingesetzt (Fig. 1). Die höchste Temperatur soll erfindungsgemäß an einer Stelle C des Rohrelements 5 erzeugt werden, die im Bereich der Vertiefung V zu liegen kommt. Das Umformverfahren kann jedoch grundsätzlich kalt, halb warm oder warm durchgeführt werden.

[0035] Mit Hilfe des Presswerkzeugs 6, 7 wird das Rohrelement 5 in axialer Richtung (entlang der Linie Z) gestaucht, und der Matrizenteil 1 wird der Umformung des Rohrelements 5 folgend in Richtung des Pfeils cl relativ zum Dorn 3, 4 und relativ zum Matrizenteil 2 verschoben (Fig. 2). Als Geschwindigkeit des Pressenstößels 7 bzw. der Matrize 1 ist bevorzugt ein Wert zwischen 20 mm/s und 30 mm/s einzustellen. Bei einem Umformkraftgesteuerten Verfahren ist beispielsweise eine konstante Umformkraft F von 2000 kN einstellbar. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des Umformverfahrens wird eine sich während des Umformverfahrens ändernde Umformkraft eingestellt. Bei einem Umformweggesteuerten Verfahren ist ein maximaler Verschiebeweg des Pressenstößels 7 bzw. der Matrize 1 zum Beispiel mit Hilfe mechanischer Wegbegrenzer einstellbar.

[0036] In dieser ersten Phase des Umformvorganges verkleinert sich der Spalt t, da eine axiale Bewegung des Matrizenteils 2 blockiert ist. Zugleich dringt der Dorn 3, 4 unter Zusammendrücken der Feder 9 in den Matrizenteil 1 ein. Während dieses Verfahrensschrittes fließt das Material des Rohrelements 5 bevorzugt in die Ausnehmung A, aber auch in die Vertiefung V, so dass eine entsprechend der Geometrien von Ausnehmung und Vertiefung ringförmige Wandverdickung W1, W2 entsteht (Fig. 2). Die Wandverdickung W1, W2 stellt einen Bund in der Mitte des Rohrelements 5 dar mit einem außenseitigen Bundabschnitt W1 und einem innenseitigen Bundabschnitt W2. Die Aufteilung des Stoff-Flusses im Rohrelement 5 nach innen bzw. außen wird über eine Voreinstellung des Spaltes t zu Beginn des Umformvorganges bestimmt. Eine Vergrößerung des Spaltes t bewirkt dabei einen vermehrten Stoff-Fluss nach außen, während eine Verkleinerung des Spaltes t einen Stoff-Fluss nach innen begünstigt. Der Spalt t stellt somit eine Steuergröße für die radiale Erstreckung der Wandverdickung W1, W2 dar.

[0037] In einem nachfolgenden Verfahrensschritt (zweite Phase des Umformvorgangs) ist der Spalt zwischen den Matrizenteilen 1, 2 geschlossen und beide Matrizenteile 1, 2 werden gemeinsam gegen die Kraft S der Feder 8 relativ zum Dorn 3, 4 axial verschoben (Pfeil c2). Zugleich wird das Rohrelement 5 mit Hilfe des Presswerkzeugs 6, 7 weiter gestaucht. Der Dorn 3, 4 wird folglich weiter in den Matrizenteil 1 gedrückt, und die Feder 9 wird weiter komprimiert. Bevorzugt wird die Kraft S der Feder 8 während dieses Verfahrensschrittes konstant gehalten. In einem modifizierten Verfahrensschritt wird die Kraft S vom Anfang bis zum Ende des Verfahrensschrittes kontinuierlich reduziert.

[0038] Durch die Verschiebung der Matrize 1, 2 in Richtung des Pfeils c2 gegen den Dorn 3, 4 ergeben sich eine entgegengesetzte Bewegung von Ausnehmung A und Vertiefung V und ebenfalls eine Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts W1 relativ zum innenseitigen Bundabschnitt W2. Zugleich fließt weiteres Material in die Ausnehmung A sowie in die Vertiefung v.

[0039] Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, in der das Endstadium des erfindungsgemäßen Umformverfahrens dargestellt ist, definiert die Matrize 1, 2 die (maximale) axiale Erstreckung des außenseitigen Bundabschnitts W1, wobei die letztgenannte Größe im Wesentlichen der Breite b der Ausnehmung A entspricht. Die Vertiefung V definiert die Form des innenseitigen Bundabschnitts W2, insbesondere dessen Durchmesser. Die axiale Position und Erstreckung des innenseitigen Bundabschnitts W2 wird bevorzugt über die anfängliche lokale Erwärmung des Rohrelements 5, d. h. insbesondere über deren axiale Positionierung und Erstreckung gesteuert.

[0040] Mit dem beschriebenen Umformverfahren lassen sich unter Zuhilfenahme vergleichsweise einfacher Mittel aus einem Rohrelement endkonturnahe Halbfertigteile erzeugen, die insbesondere innenseitig nicht mehr wesentlich nachbearbeitet werden müssen.

[0041] In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Matrizen- und Dornteile voneinander getrennt und das umgeformte Rohrelement 5 wird aus dem Umformwerkzeug entnommen. Anschließend wird das umgeformte Rohrelement 5 außenseitig (insbesondere im Bereich des Bunds W1) spanabhebend endbearbeitet (z.B. mittels eines Dreh- oder Schleifverfahrens. Eine innenseitige Feinbearbeitung kann besonders einfach beispielsweise mittels Sandstrahlen vorgenommen werden.

[0042] In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs zur plastischen Umformung eines Rohrelements 5 schematisch dargestellt. Die Anordnung der verschiedenen Elemente ist dabei in etwa wie in den vorangehend geschilderten Ausführungsbeispielen vorgesehen, so dass in etwa gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

[0043] Das Umformwerkzeug umfasst wiederum eine Matrize, die in einen ersten Matrizenteil 1 und einen zweiten Matrizenteil 2 geteilt ist. Das Umformwerkzeug umfasst ferner einen Dorn 3, 4, der in einen ersten Dornteil 3 und einen zweiten Dornteil 4 unterteilt ist mit einer Berührfläche D zwischen den Dornteilen. Alternativ ist ein ungeteilter Dorn vorgesehen. Der erste Dornteil 3 ist über eine hydraulische oder pneumatische Feder 9 an dem ersten Matrizenteil 1 festgelegt, wobei der Federweg in etwa der Längenänderung des Rohrelements 5 während des erfindungsgemäßen Umformverfahrens entspricht bzw. diese übersteigt. Der zweite Matrizenteil 2 ist axial, entlang der Linie Z verschieblich gelagert, wobei der zweite Matrizenteil 2 über ein Federelement 8 mit der Kraft S der Feder 8 gegen den ersten Matrizenteil 1 gedrückt wird. Das Federelement 8 ist bevorzugt als verstellbare Hydraulik- oder Pneumatikfeder ausgeführt, so dass die Federeigenschaften des Federelements 8 veränderbar sind. Damit ist die Federkraft S des Federelements 8 einstellbar.

[0044] Dorn und Matrize sind in ein Presswerkzeug 6, 7 eingesetzt, wobei der erste Matrizenteil 1 mit einem beweglichen Pressenstößel 7 und der zweite Dornteil 4 mit einem ortsfesten Pressengegenhalter 6 gekoppelt ist. Der Pressengegenhalter 6 ist auf einem als inertial anzusehenden Pressentisch fixiert. Ferner ist wiederum in nicht näher dargestellter Weise eine Induktions- oder Widerstandsheizung zur optionalen Erwärmung des Rohrelements 5 vorgesehen. Das Rohrelement 5 ist aus einem Edelstahl oder aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt und weist einen bevorzugt kreisringförmigen Querschnitt auf. Das Rohrelement 5 weist eine größere bis mittlere Wandstärke auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut bei Rohrelementen mit einem Verhältnis Durchmesser zu Wandstärke zwischen 5 : 1 und 15 : 1, insbesondere 7 : 1 durchführbar ist.

[0045] Die Matrize 1, 2 umgreift das Rohrelement 5 außenseitig mit geringem Spiel. In einem mittleren Bereich des Rohrelements 5, der benachbart positioniert ist zum mittleren Bereich der Matrize 1, 2, ist eine ringförmig umlaufende Ausnehmung A' mit einer Breite b' vorgesehen, die einen gegenüber anderen, axial beabstandeten Bereichen der Matrize einen geänderten bzw. reduzierten Querschnitt aufweist. Die Ausnehmung A' ist dem Rohrelement 5 zugewandt an der Innenseite der Matrize angeordnet und kann grundsätzlich je nach Bedarf unterschiedliche Innenkonturen und Abmessungen sowie jede beliebige Position entlang des Rohrelements aufweisen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, befindet sich die Ausnehmung direkt an einer Trennfläche T' der beiden Matrizenteile 1, 2, so dass die Ausnehmung A' von dem zweiten Matrizenteil 2 und von dem ersten Matrizenteil 1 begrenzt ist. Die Ausnehmung A' bietet dem Rohrelement 5 in einem Umformbereich C einen nicht abgestützten, vorliegend in etwa kegeligen Freiraum. Bevorzugt weist die Ausnehmung A' auf Seiten des zweiten Matrizenteils 2 eine sich in Richtung der Trennfläche T' öffnende elliptische oder parabolische Längsschnitt-Kontur auf. Gleiches kann spiegelbildlich auch seitens des ersten Matrizenteils 1 vorgesehen sein.

[0046] In einer ersten Phase der plastischen Umformung des Rohr-elements 5 wird der zweite Matrizenteil 2 berührend gegen den ersten Matrizenteil 1 gefahren, und mittels des Presswerkzeugs 6, 7 wird in axialer Richtung Z das Rohrelement 5 mit der Kraft F gestaucht. Optional wird das Rohrelement 5 (und ggf. die Matrize 1, 2) insbesondere im Umformbereich C vor der Umformung erwärmt. In Verlauf der ersten Phase der Umformung wird der Werkstoff des Rohrelements 5 in die Ausnehmung A' gedrängt, wobei insbesondere die axiale Erstreckung b' bevorzugt so gewählt ist, dass (gerade noch) keine Knickeffekte, Risse oder Faltenbildung seitens des Rohrelements 5 auftreten oder ein beginnendes Knicken durch ein Abstützen des Rohrelements an der Matrize 1, 2 begrenzt wird. Auch die radiale Erstreckung der Ausnehmung A' ist entsprechend begrenzt ausgeführt. Am Ende der ersten Phase der plastischen Umformung ergibt sich eine Konfiguration, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt. Dabei ist die Ausnehmung A' näherungsweise vollständig oder zum überwiegenden Teil vom Werkstoff des Rohrelements 5 ausgefüllt und ein außenseitger Wulst W3 an dem Rohrelement 5 gebildet.

[0047] Vor einer zweiten Phase der plastischen Umformung des Rohrelements 5 wird die Kraft F reduziert, und der zweite Matrizenteil 2 wird (bevorzugt mitsamt dem gesamten Pressengegenhalter 6) vom ersten Matrizenteil 1 entfernt (Pfeil c3). Anschließend wird ein bevorzugt kreisringförmiger, mehr- oder einteiliger Abstandshalter 10 zwischen die Berührflächen T1', T2' der Matrizenteile 1 und 2 eingesetzt. Der Abstandshalter 10 weist die axiale Erstreckung t' auf und bewirkt im Zusammenspiel mit der Ausnehmung A' seitens des zweiten Matrizenteils 2 eine Vergrößerung des Freiraums um das Rohrelement 5 im Umformbereich C. Anders formuliert: Der Abstandshalter 10 stellt eine Vergrößerung der Geometrie der Ausnehmung A' sowohl hinsichtlich axialer als auch hinsichtlich radialer Erstreckung sicher (vgl. Fig. 6). Zugleich kann eine axiale Verlagerung des Raummittelpunktes der vergrößerten Ausnehmung A" gegenüber der ursprünglichen Ausnehmung A' erzielt werden.

[0048] In einer zweiten Phase der plastischen Umformung des Rohrelements 5 wird entsprechend Fig. 7 mit Hilfe des Presswerkzeuges 6, 7 erneut eine stauchende Kraft F auf das Rohrelement 5 ausgeübt, so dass weiterer Werkstoff des Rohrelements in die vergrößerte Ausnehmung A" fließt und der zunächst erzeugte Wulst W3 umgeformt wird. Es wird dabei ein weiter verbreiterter wulst W3' erzeugt, dessen Schwerpunkt bezogen auf den Schwerpunkt des Rohrelements gegenüber dem Wulst W3 nach der ersten Umformphase axial verschoben sein kann. Der Wulst W3 weist eine axiale Erstreckung t' + b' auf, die größer ist als diejenige axiale Erstreckung b' des Wulstes W3. Ferner weist der verbreiterte Wulst W3' auch eine deutlich vergrößerte radiale Erstreckung r' auf.

[0049] In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist entsprechend des anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels auf Seiten des Dorns 3, 4 eine der Ausnehmung A' gegenüberliegende vertiefung vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel wird nach der zweiten Umformphase ein weiterer ringförmiger Abstandshalter zwischen die Berührflächen T1', T2' eingesetzt und eine weitere Umformphase angeschlossen.

[0050] In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wird nach der zweiten Umformphase der Abstandshalter zwischen den Matrizenteilen 1, 2 entfernt und durch einen modifizierten Abstandshalter und/oder einen weiteren Matrizenteil 11 ersetzt. Der modifizierte Abstandshalter bzw. der weitere Matrizenteil 11 schließt direkt an die Berührfläche T2' des zweiten Matrizenteils 2 an, so dass eine direkte Kraftübertragung vom Matrizenteil 2 her möglich ist. Anschließend wird über eine gezielte Verstellung des Matrizenteils 2 in Richtung des Pfeils c4 eine Kraft S' in axialer Richtung auf den Wulst W3" eingeleitet. Der Wulst W3" kann dadurch gezielt geplättet oder auch mit einer (rotationssymmetrischen oder nicht rotationssymmetrischen) Profilierung N versehen werden. In einem weiter modifizierten Ausführungsbeispiel wird nach der zweiten Umformphase der Abstandshalter entfernt, und der Wulst wird nur mittels der im Bereich ihrer Berührflächen T1', T2' entsprechend profilierten Matrizenteile durch axiales Pressen geplättet bzw. mit einer Profilierung versehen.

[0051] Die Merkmale der lediglich beispielhaft beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Verfahrensschritte lassen sich nahezu beliebig miteinander kombinieren, so dass sich weitere vorteilhafte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben können.

[0052] Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren lassen sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch Stauch-Fließpressen oder einen ähnlichen Vorgang im kalten, halb-warmen oder warmen Zustand Wulste, Wandverdickungen und Flansche an Rohrelementen erzeugen. Dabei sind sowohl in axialer als auch in radialer Richtung besonders ausgedehnte Geometrien erreichbar, was das erfindungsgemäße Verfahren für vielfältige Anwendungsbereiche interessant macht. Insbesondere lassen sich alle Arten von Hohlwellen herstellen, die außen- und/oder innenseitig ein Flansch-, Kegel- oder Bundelement umfassen und ohne Fügevorgang ein besonders gutes Dauerfestigkeitsverhalten aufweisen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Umformen von Rohrelementen, bei dem

- in einem Verfahrensschritt ein Rohrelement (5) in eine das Rohrelement (5) außenseitig umgreifende Matrize (1, 2) eingebracht wird, wobei die Matrize (2) an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an der Matrize (2) innenseitig eine dem Rohrelement (5) zugewandte Ausnehmung (A) gebildet ist,

- in einem Verfahrensschritt ein Dorn (3, 4) in das Rohrelement (5) eingesetzt wird,

- in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Rohrelement (5) in axialer Richtung (Z) gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird, sowie

- in einem Verfahrensschritt die Geometrie, insbesondere eine axiale Erstreckung (b, t, b', t') der Ausnehmung (A, A', A") verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrize zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Matrizenteil (1) sowie einen zweiten Matrizenteil (2) unterteilt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) oder zwischen zwei Phasen plastischer Umformung der erste Matrizenteil (1) gegen den zweiten Matrizenteil (2) verstellt wird, wobei insbesondere zu Beginn einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) ein Spalt (t, t') zwischen dem ersten Matrizenteil (1) und dem zweiten Matrizenteil (2) vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit Hilfe der Verstellung der Matrizenteile (1, 2) gegeneinander zugleich eine Veränderung der Geometrie, insbesondere der axialen Erstreckung (b, t) der Ausnehmung (A, A', A") herbeigeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer Phase der plastischen Umformung des Rohrelements (5) der zweite Matrizenteil (2) dieselbe Bewegung (c2) vollführt wie der erste Matrizenteil (1).

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wobei der Dorn (4) an axial voneinander beabstandeten Stellen unterschiedliche Querschnittsabmessungen derart aufweist, dass an dem Dorn eine dem Rohrelement (5) zugewandte Vertiefung (V) gebildet ist

7. verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem verfahrensschritt das Rohrelement (5) in axialer Richtung (Z) gestaucht und wenigstens abschnittsweise plastisch umgeformt wird, wobei zugleich Matrize (1, 2) und Dorn (3, 4) relativ zueinander verstellt werden.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dorn (3, 4) zweiteilig ausgeführt und in einen ersten Dornteil (3) sowie einen zweiten Dornteil (4) unterteilt ist.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Matrizenteil (1, 2) während der plastischen Umformung des Rohrelements (5) in axialer Richtung mittels eines ersten Federelementes (8) abgestützt ist.

10. verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Federelement (8) hinsichtlich seiner Federeigenschaften verstellbar, insbesondere hinsichtlich seiner Federkraft (S, S') verstellbar und/oder in einen nicht federnden Zustand überführbar ausgestaltet ist.

11. Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem

- in einem Verfahrensschritt an einem Rohrelement (5) durch plastische Umformung des Rohrelements, insbesondere durch Stauchen, ein Bund (W1, W2, W3) hergestellt wird, der an dem Rohrelement (5) eine ringförmige Wandverdickung darstellt, und

- in einem nachfolgenden verfahrensschritt mittels einer das Rohrelement (5) außenseitig umgreifenden Matrize (1, 2) ein außenseitiger Bundabschnitt (W1, W3) relativ zu einem Schwerpunkt des Rohrelements und/oder einem innenseitigen Bundabschnitt (W2) axial verschoben wird, wobei das Rohrelement (5) gleichzeitig axial gestaucht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der axialen Verschiebung des außenseitigen Bundabschnitts (W1) relativ zu dem innenseitigen Bundabschnitt (W2) beide Abschnitte (W1 und W2) plastisch umgeformt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohrelement (5) innenseitig von einem Dorn (3, 4) gestützt wird, dem eine Vertiefung (V) zugeordnet ist, die zum einen eine axiale Verschiebung des innenseitigen Bundabschnitts (W2) relativ zum Dorn (3, 4) ermöglicht und zum anderen die zu erzielende Form des innenseitigen Bundabschnitts (W2) definiert.

Zeichnung