Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Umformen von Werkstücken nach Anspruch 8.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein Werkstück in Rotation versetzt und dann durch von außen an das Werkstück herangeführte Walzen oder Rollen umgeformt wird. Oft sind diese Werkstücke als rotationssymmetrische Hohlkörper ausgeführt. Die Hohlkörper können einseitig geschlossene Böden aufweisen.
In den meisten Fällen geschieht diese Umformung in der Weise, dass die äußeren Umformrollen den Mantel des hohlkörperförmigen Werkstückes gegen einen Innendorn pressen, so dass der Werkstoff innerhalb einer Umformzone zwischen den Umformwerkzeugen axial, radial und tangential zum Fließen gebracht wird. Dabei wird die Wandstärke des Mantels reduziert.
Der umzuformende Hohlkörper wird dabei auf seiner ganzen Länge auf dem Innendorn geführt, so dass sich nach der Umformung mindestens 50% des fertigen Werkstückes auf dem Innendorn befinden. Abhängig von der Prozessführung können sich auch 100% der Länge des Werkstückes sich auf dem Innendorn befinden.
Das Anpressen des Werkstoffes gegen den Innendorn während der Umformung hat den Nachteil, dass eine sehr hohe Reibung zwischen der inneren Oberfläche des Werkstückes und der Oberfläche des Innendornes entsteht. Die Reibung führt wiederum zur nachteiligen Erwärmung von Werkstück und Innendorn. Dazu kommt der Verschleiß der Oberfläche während des Umformprozesses aufgrund der Reibbeanspruchung.
Des Weiteren muss der ideale Außendurchmesser des Innendornes durch Versuche gefunden werden, was aufwendige nachträgliche Korrekturen am Außendurchmesser des Innendornes erforderlich macht. Die Herstellung von Werkstücken mit verschiedenen Innendurchmessern bei unterschiedlichen Wanddicken innerhalb eines Werkstückes mit einem Innendorn ist ausgeschlossen. Für die Fertigung derartiger Werkstücke ist ein geteilter Innendorn, der jeweils an Hauptspindel und Reitstockspindel befestigt wird, erforderlich. Eine solche Vorrichtung mit geteiltem Innendorn ist jedoch aufwendig. Zudem ist die mögliche Kontur des Werkstücks ebenfalls limitiert, da selbst ein geteilter Dorn nur einen beschränkten Gestaltungsspielraum der Innenkontur des zu formenden Werkstückes ermöglicht.
Aus der
Auch die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung einer als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgeführten Vorform aufzuzeigen, wobei die Bearbeitung sich auf die mögliche Veränderung der Wandstärke sowie des Außen- und Innendurchmessers der Vorform erstreckt und die Vorrichtung sowie das Verfahren eine Kontrolle der möglichen Längung der Vorform über deren Bearbeitung hinweg ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Die Merkmale der abhängigen Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung mindestens ein äußeres Umformwerkzeug und eine Hauptspindel sowie ein um eine Maschinenhauptachse drehbares und koaxial zu der Maschinenhauptachse der Vorrichtung gelagertes Innenumformwerkzeug auf. Dabei ist die Achse der Hauptspindel die Maschinenhauptachse.
Das Innenumformwerkzeug ist an einem in axialer Längsrichtung verschiebbaren Halter, der selber mit oder unabhängig von dem Innenumformwerkzeug drehbar gelagert sein kann, befestigt.
Das mindestens eine äußere Umformwerkzeug weist eine Anzahl von äußeren Umformrollen auf, die entsprechend einer vorgegebenen Werkstückkontur radial verfahr- und positionierbar sind und im Bereich des Innenumformwerkzeugs von außen an die Mantelfläche der Vorform angreifen. Die Vorform wird von einer Aufnehmervorrichtung aufgenommen, bei der es sich vorzugsweise gleichzeitig um eine Zentriervorrichtung handelt, welche die Vorform auch zentriert.
Hierzu sind erfindungsgemäß ein axial verfahrbarer Hauptspindelkasten mit einem angetriebenen Mitnehmer sowie ein Reitstock mit der als Zentrierstück ausgebildeten Aufnehmervorrichtung und einer Spannvorrichtung mit einer zentrisch zur Maschinenhauptachse geführten Andrückverlängerung vorgesehen. Diese sind dazu ausgebildet, um die Vorform zwischen dem Mitnehmer und dem Zentrierstück zentriert zu halten und axial zu verspannen.
Aufgrund der Vorspannung bilden der Hauptspindelkasten mit drehender Hauptspindel sowie die Vorform und der Reitstock eine Einheit, die gemeinsam durch die axiale Kraft einer an dem Hauptspindelkasten angeordneten Vorschubvorrichtung mit einem geregelten Vorschub in axialer Richtung relativ zu den äußeren Umformwerkzeugen verfahren werden kann.
Das Besondere an dieser Vorrichtung ist, dass das Innenumformwerkzeug mit einer äußeren Kontur in Form einer axial profilierten Außenkontur versehen ist, die es erlaubt, durch die axiale Positionierung der äußeren Umformwerkzeuge relativ zum Innenumformwerkzeug die axiale Position der Umformzone auf dem Innenumformwerkzeug vorzugeben und somit aufgrund der Konturierung des Innenumformwerkzeugs den Innendurchmesser des Werkstücks durch die relative axiale Position der äußeren Umformwerkzeuge und des Innenumformwerkzeugs zueinander vorzugeben. Durch die radiale Positionierbarkeit der äußeren Umformwerkzeuge lassen sich so zusätzlich zum inneren Werkstückdurchmesser der äußere Werkstückdurchmesser und damit die Wandstärke an jeder Position entlang der Maschinenhauptachse x vorgeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren schematisch erläutert:
Vorzugsweise besteht das Innenumformwerkzeug 9 im Wesentlichen aus einer Innenumformrolle oder weist zumindest eine Rolle auf, die das von innen an das Werkstück 4 angreifende Element des Innenumformwerkzeugs 9 darstellt. Die Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 kann zylindrisch, konisch, konvex oder konkav sein, je nachdem wie das zu formende Werkstück 4 es erfordert. Der Innendurchmesser des Werkstücks 4 ergibt sich dabei aus der Konturierung des Innenumformwerkzeugs 9. Abhängig von der relativen axialen Position des Innenumformwerkzeugs 9 zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 wandert die Umformzone in axialer Richtung auf der Oberflächenkontur des Innenumformwerkzeugs 9. Die Relativposition kann dadurch so gewählt werden, dass an die Umformzone immer ein Bereich der Außenkontur 9.2 des Innenumforwerkzeugs 9 angreift, in welchem der effektive Außendurchmesser des Innenumformwerkzeugs 9 gleich oder minimal kleiner dem gewünschten Innendurchmesser des Werkstücks 4 an der jeweiligen Position ist.
Die Innenumformrolle bzw. das Innenumformwerkzeug 9 ist axial zur Position der äußeren Umformrollen 8 durch einen Halter 5 zentrisch in der Hauptspindel 1.1 geführt und stufenlos in Relation zu den äußeren Umformrollen 8 verfahrbar.
Wenn ein zylindrischer Hohlkörper mit gleichbleibendem Innendurchmesser geformt werden soll, können während der Umformung die innere Umformrolle bzw. das Innenumformwerkzeug 9 und die äußeren Umformrollen 8 in einer gleichbleibenden axialen Position zueinander geführt werden.
Soll dagegen ein Hohlkörper mit unterschiedlichen Innendurchmessern geformt werden, so verfährt die Innenumformrolle bzw. das Innenumformwerkzeug 9 axial relativ zu den äußeren Umformrollen 8, bis der an der jeweiligen Stelle des Werkstücks 4 gewünschte Innendurchmesser erreicht ist.
Dabei wird die Vorform 3 von einem angetriebenen Mitnehmer 11 des axial verfahrbaren Hauptspindelkastens 1 zentriert gehalten und axial mit dem Zentrierstück 7 des Reitstockes 2 verspannt. Hierfür ist eine geeignete Spannvorrichtung 14, bei der es sich vorzugsweise um einen Druckzylinder handelt, vorgesehen.
Die äußeren Umformwerkzeuge 8 können radial geführt in einem nicht dargestellten Gehäuse befestigt sein und können, vorzugsweise mittels CNC-Achsen, die die radiale Position der äußeren Umformwerkzeuge 8 vorgeben, vorgegebenen Verfahrbewegungen folgen. Dabei ergibt sich aus den radialen Positionen an der jeweiligen der axialen Positionen der Vorform 3 die äußere Kontur des gewünschten Werkstückes 4.
Die Anzahl der möglichen äußeren Umformwerkzeuge 8 ergibt sich aus den geometrischen Außenabmessungen der Umformwerkzeuge 8 im Verhältnis zum äußeren Durchmesser des Werkstückes 4. Der maximale Durchmesser des Innenumformwerkzeugs 9 wird durch den Innendurchmesser der Vorform 3 begrenzt.
Die axiale Position der äußeren Umformrollen 8 zu dem Innenumformwerkzeug 9 kann beispielsweise durch manuelle Justierung der äußeren Umformwerkzeuge 8 zu- und untereinander abgestimmt werden. Während der Umformung können diese äußeren Umformrollen 8 in axialer Richtung in Fixposition zueinander stehen, vorzugweise zumindest solange die gewünschte Konturierung des Werkstücks 4 keine Verstellung der axialen Positionen einzelner Umformwerkzeuge zueinander während der Umformung erfordert.
Die eingespannte Vorform 3 kann vom Mitnehmer 11 der Hauptspindel 1.1 und/oder dem Innenumformwerkzeug 9 zentriert werden. Die Spannung kann durch eine Andruckvorrichtung 14, beispielsweise einen Druckzylinder, des Reitstocks 2 erfolgen. Vorzugsweise können die äußeren Umformwerkzuge 8 in eine Ausgangsposition zurückgefahren werden. Das Innenumformwerkzeug 9 befindet sich in Umformposition axial im Bereich der äußeren Umformwerkzeuge 8.
Die durch die Vorspannung gebildete Einheit kann nun durch die Vorschubvorrichtung 15 des Hauptspindelkastens 1, die vorzugsweise als Vorschubzylinder ausgeführt ist, gegen den Druck der Andruckvorrichtung 14 axial in Umformposition verfahren werden. Dabei kann die Einheit bereits in Drehung um die Maschinenhauptachse x versetzt sein oder erst werden. Das Innenumformwerkzeug 9 kann dabei axial in Umformposition zu den äußeren Umformrollen 8 stehen. Die äußeren Umformwerkzeuge 8 können anschließend radial in Umformposition verfahren werden.
Hauptspindelkasten 1 mit drehender Hauptspindel 1.1, Vorform 3 und Reitstock 2 bilden so eine Einheit, die gemeinsam durch die axiale Kraft der Vorschubvorrichtung 15, bei der es sich vorzugsweise um einen Vorschubzylinder handelt, mit einem geregelten Vorschub in axialer Richtung relativ zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 verfahren werden kann.
Sobald die Umformwerkzeuge 8 in Umformposition sind, können diese das Material der Wanddicke W0 der Vorform 3 durch den radialen Anpressdruck der äußeren Umformwerkzeuge 8 und den Widerstand des Innenumformwerkzeugs 9 in radialer, tangentialer und axialer Richtung zum Fließen bringen.
Der radiale Abstand des an die Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereiches 9.1 der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 und des an die Außenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereiches der äußeren Umformwerkzeuge 8 zueinander geben die zu formende Wanddicke W1 des zu fertigenden Werkstückes 4 in der jeweiligen axialen Position der Vorform 3 vor. Dabei kann sich der gewünschte Außendurchmesser mit der vorgegebenen Wanddicke W1 in dieser axialen Position bilden. Dabei ist der innere Durchmesser des zu fertigenden Werkstückes 4 in jeder axialen Position des Werkstücks 4 vorgegeben durch den Kontaktdurchmesser 9.1 der sich aus dem Abstand des an die Kontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereichs der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 von der Maschinenhauptachse x in der jeweiligen axialen Position ergibt.
Eine dabei zunehmende Länge der Vorform 3 kann den Reitstock 2 in Fließrichtung des umgeformten Materials gegen den Druck der Andruckvorrichtung 14, bei der es sich vorzugsweise um einen Druckzylinder handelt, zurückdrücken. Die Andruckvorrichtung 14 ist so gestaltet, dass der Gegendruck regel- und/oder steuerbar ist. Dabei ist eine Andrückverlängerung 10 vorgesehen, die vorzugsweise zentrisch zur Hauptachse geführt ist.
Der äußere Durchmesser des zu fertigenden Werkstückes 4 mit der Wanddicke W1 wird an der jeweiligen axialen Position des Werkstücks 4 durch die jeweilige radiale Position und Dimensionierung der äußeren Umformwerkzeuge 8 vorgegeben. Die Wanddicke W1 des zu fertigenden Werkstückes 4 ergibt sich an der jeweiligen axialen Position des Werkstücks 4 durch den Kontaktdurchmesser 9.1 des Innenumformwerkzeugs 9.
Dieser wird dadurch bestimmt, dass durch die axiale Position des Innenumformwerkzeugs 9 zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 ein eindeutig definierter Bereich der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 an der Innenkontur des umzuformenden Werkstücks 4 angreift. Somit kann den inneren Durchmesser des umzuformenden Werkstückes 4 in der jeweiligen axialen Position festgelegt werden.
Wird nun während der Umformung die axiale Position der Innenumformrolle 9 relativ zu den äußeren Umformrollen 8 geändert, ändert sich der Kontaktdurchmesser 9.1 und damit der definierte, an der Innenkontur des umzuformenden Werkstücks 4 angreifende Bereich der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 mit der Folge, dass sich die Wanddicke W1 des geformten Werkstücks 4 ändert. Dabei wird im gezeigten Beispiel bei einem axialen Vorschub des Innenumformwerkzeugs 9 mit der Außenkontur 9.2 in Richtung Reitstock 2 ein kleinerer Innendurchmesser, bei einem Vorschub des Innenumformwerkzeugs 9 in Richtung Hauptspindelkasten 1 ein größerer Innendurchmesser erzeugt. Bleibt die axiale Position des Innenumformwerkzeugs 9 in Relation zu den äußeren Umformrollen 8 fix, ergibt sich als konstanter Innendurchmesser der Kontaktdurchmesser 9.1 des Innenumformwerkzeugs 9.
Der Innendurchmesser wird kleiner, wenn der Kontaktdurchmesser 9.1 kleiner wird, d.h., die axiale Position des Innenumformwerkzeugs 9 relativ zur axialen Position der äußeren Umformwerkzeuge 8 sich derart ändert, dass sich die Umformzone auf der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs in einen Bereich mit kleinerem, an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifendem, wirksamen Werkzeugdurchmesser verschiebt. Dadurch kann eine größere Wanddicke geformt werden, ohne dass die äußern Umformrollen 8 ihre radiale Position verändern.
Verändern dagegen auch die äußeren Umformrollen 8 ihre radiale Position zu einem kleineren geformten Außendurchmesser entsprechend dem sich aus der neuen axialen Relativposition des Innenumformwerkzeugs 9 aufgrund der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9 ergebenden Innendurchmessers des Werkstücks 4, dann kann bei gleichbleibender Wanddicke ein kleinerer Außendurchmesser als vor der Änderung der radialen Position der äußeren Umformrollen 8 und der axialen Position der Innenumformrolle 9 geformt werden.
Der Innendurchmesser wird größer, wenn der Kontaktdurchmesser 9.1 größer wird, d.h. die axiale Position des Innenumformwerkzeugs 9 relativ zur axialen Position der äußeren Umformwerkzeuge 8 sich derart ändert, dass sich die Umformzone auf der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs in einen Bereich mit größerem an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden wirksamen Werkzeugdurchmesser verschiebt. Dadurch kann die geformte Wanddicke W1 verkleinert werden, ohne dass die äußeren Umformwerkzeuge 8 ihre radiale Position verändern.
Verändern dagegen auch die äußeren Umformrollen 8 ihre radiale Position zu einem größeren geformten Außendurchmesser entsprechend dem sich aus der neuen axialen Relativposition der Innenumformrolle 9 aufgrund der Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 ergebenden Innendurchmessers des Werkstücks 4, dann kann bei gleichbleibender Wanddicke ein größerer Außendurchmesser als vor der Änderung der radialen Position der äußeren Umformrollen 8 und der axialen Position der Innenumformrolle 9 geformt werden.
Diese beschriebenen Grundbewegungen können beliebig aneinandergereiht werden, so dass beliebige Abfolgen der beschriebenen zylindrischen oder konischen Konturverlaufsabschnitte 3.1 entstehen. Zudem ist durch Überlagerung der beschriebenen grundlegenden Bewegungsabläufe die Formung beliebiger konischer und/oder konvexer Konturen möglich.
Sobald das Ende der Vorform 3 erreicht ist, können die äußeren Umformwerkzeuge 8 in Ausgangsposition zurück fahren. Anschließend kann die Einheit aus Hauptspindelkasten 1, Reitstock und Fertigteil 4 zurück in die Entladeposition fahren. Das fertige Werkstück 4 kann nun entspannt und entnommen werden.
Es ist weiterhin möglich, dass das innere Umformwerkzeug 9 an die Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereichen eine Formgebung aufweist, die es ermöglicht, die Innenkontur nicht nur axial, sondern auch in Umfangsrichtung zu konturieren. Bei einer solchen Umfangsinnenkonturierung 4.1 kann es sich beispielsweise um axial verlaufende Innenrippen handeln. Eine Möglichkeit der Realisierung eines solchen Innenumformwerkzeugs stellt ein Umformwerkzeug, vorzugsweise eine Rolle, mit in Umfangsrichtung konturierter an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifender Oberfläche dar.
Aufgrund der axialen Verfahrbarkeit des Innenumformwerkzeugs 9 relativ zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 sind folgende Innenkonturen möglich:
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