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Die
Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines
Torsionsprofils aus einem im Querschnitt runden metallischen Rohr
gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Andererseits
richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens gemäß den Merkmalen im Oberbegriff
des Anspruchs 3.
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Torsionsprofile
der in Rede stehenden Art sind zum Beispiel aus der
DE 196 53 959 C1 bekannt.
Sie bilden in der Regel mindestens mittelbare Bestandteile von Verbundlenkerachsen.
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Bei
der Herstellung derartiger Torsionsprofile werden bislang in der
Regel zweistufige Umformprozesse angewandt. In einer Vorstufe werden
zunächst zylindrische Stützdorne in die Rohrenden
von metallischen Rohren, zumeist Stahlrohre, eingefahren. Hierbei
liegen die Rohre in nach oben offenen Aufnahmeschalen. Die Rohrenden
sind so eingespannt, dass eine leichte Spielpassung in ihren Führungen vorhanden
ist. Nach dem Einfahren der Stützdorne in die Rohrenden
wird ein sich in Längsrichtung der Rohre erstreckender,
quer zum Rohr beweglicher Schwertstempel auf den mittleren Längenbereich des
Rohrs abgesenkt und zwar so weit, bis dieser U-förmig gemuldet
ist. Auf diese Weise wird zwischen den Rohrenden ein doppelwandiger
Abschnitt gebildet. Die Übergangsabschnitte zwischen den Rohrenden
und dem U-förmig gemuldeten mittleren Längenbereich
gehen dabei kontinuierlich vom kreisrunden zum U-förmigen
Querschnitt über.
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In
einer Endformstufe wird in einem weiteren Werkzeug dann die Endgeometrie
des Torsionsprofils geprägt.
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Lebensdauertests
haben gezeigt, dass die Übergangsabschnitte zwischen dem
mittleren Längenbereich und den Rohrenden Schwachstellen
des Torsionsprofils sind. Auf Grund der muldenförmigen Prägung
des mittleren Längenbereichs entstehen in den Übergangsabschnitten
starke Zugbeanspruchungen, die hier zu Mikrorissen führen
können. Diese Defekte werden bislang nachträglich
mit kostenintensivem Kugelstrahlen behandelt, um Druckeigenspannungen
in die Materialoberfläche einzubringen.
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Der
Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die
Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
zu schaffen, bei denen mit Erreichen eines günstigeren
Umformprozesses eine Lebensdauersteigerung erzielt sowie eine Kostenreduzierung
durch Entfall des Kugelstrahlprozesses erreicht werden können.
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Was
die Lösung des verfahrenstechnischen Teils dieser Aufgabe
anlangt, so besteht diese in den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Danach
wird nunmehr dafür Sorge getragen, dass während
der U-förmigen Muldung des mittleren Längenbereichs
des Rohrs mittels des Schwertstempels gleichzeitig die Rohrenden
mit axialem Druck beaufschlagt werden. Das Material der Rohrenden wird
gewissermaßen mit dosierten Axialdrücken in Richtung
auf den Schwertstempel nachgeschoben mit dem Ergebnis, dass eine
Wanddickenreduzierung in den Übergangsabschnitten verhindert
wird und es damit nicht mehr in der Folge von Kerbwirkungen zu Spannungsrissen
kommen kann. Die Lebensdauer des Torsionsprofils wird deutlich erhöht.
Eine Nachbehandlung der Übergangsabschnitte mittels eines
Kugelstrahlprozesses ist nicht mehr erforderlich.
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Da
die der Aufnahmeschale abgewandten Bereiche der Übergangsabschnitte
bei der Verformung mittels des Schwertstempels höheren
Beanspruchungen ausgesetzt sind als die der Aufnahmeschale zugewandten
Bereiche, sieht eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Grundgedankens entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 vor, dass
nur die der Aufnahmeschale abgewandten Umfangsabschnitte der Stirnflächen
der Rohrenden mit axialem Druck beaufschlagt werden. Hiermit wird dem
möglichen Entstehen von Mikrorissen noch wirksamer entgegengetreten.
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Die
Merkmale des Patentanspruchs 3 betreffen eine erfindungsgemäße
Vorrichtung.
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Die
Führungen für die Rohrenden werden jetzt von der
Aufnahmeschale für das Rohr sowie von die Rohrenden übergreifenden
Haltebacken gebildet, zwischen denen und der Aufnahmeschale die
Rohrenden mit geringem Spiel (Gleitspiel) axial geführt sind.
Stirnseitig der Führungen sind hülsenförmige Nachdrückwerkzeuge
angeordnet, die vor der Verlagerung des Schwertstempels bis zur
Anlage an den Stirnflächen der Rohrenden gebracht werden.
Hierbei ist es zweckmäßig, dass die Nachdrückwerkzeuge
so verschiebetechnisch mit den Stützdornen gekoppelt sind,
dass die Stützdorne sich bereits in den Rohrenden befinden,
wenn die Nachdrückwerkzeuge an den Stirnflächen
der Rohrenden anliegen. D. h., die Nachdrückwerkzeuge können
unabhängig von den Stützdornen verlagert werden.
Bei der anschließenden Verlagerung des Schwertstempels
mit U-förmiger Muldung des mittleren Längenbereichs
des Rohrs werden gleichzeitig die Nachdrückwerkzeuge mit dosierten
Axialdrücken beaufschlagt, so dass Rohrmaterial aus den
Rohrenden in die Übergangsabschnitte verschoben wird und
in diesen Kerbrisse vermieden werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es gemäß Anspruch 4 besonders
vorteilhaft, wenn die den Stirnflächen der Rohrenden zugewandten
Frontseiten der Nachdrückwerkzeuge etwa im Höhenbereich
der horizontalen Mittellängsebenen der Stützdorne
gestuft ausgebildet sind. Dieser Sachverhalt führt dazu,
dass die Nachdrückwerkzeuge im Wesentlichen lediglich diejenigen
Umfangsbereiche der Rohrenden stirnseitig belasten, welche bei der
Umformung des mittleren Längenbereichs am stärksten
beansprucht werden.
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Nach
Anspruch 5 ist es aber auch möglich, die den Stirnflächen
der Rohrenden zugewandten Frontseiten der Nachdrückwerkzeuge
etwa im Höhenbereich der Aufnahmeschale abzuschrägen.
Auf diese Weise gelangen ebenfalls nur die der Aufnahmeschale abgewandten
Umfangsabschnitte der Nachdrückwerkzeuge mit den Rohrenden
in Kontakt.
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Den
Nachdrückwerkzeugen können entsprechend den Merkmalen
des Anspruchs 6 doppelt wirkende Zylinder zugeordnet sein. Diese
Zylinder, die hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagbar sind, verlagern
folglich die Nachdrückwerkzeuge aktiv in beide Richtungen.
Die Zylinder mit den Nachdrückwerkzeugen sowie die Stützdorne
sind jedoch gemeinsam in Längsrichtung des Rohrs bzw. des
Torsionsprofils verlagerbar.
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Denkbar
ist es aber auch, dass nach Anspruch 7 die auf die Nachdrückwerkzeuge
einwirkenden Axialdrücke von einfach wirkenden Zylindern
erzeugt werden, wobei die Stützdorne in den Nachdrückwerkzeugen
geführt und über Druckfedern mit diesen gekoppelt
sind. Hierbei wird mit Hilfe der ebenfalls hydraulisch oder pneumatisch
beaufschlagbaren Zylinder lediglich ein aktiver Axialdruck in Richtung
auf die Rohrenden ausgeübt, während die Druckfedern
nach dem Ende des Umformvorgangs und Entlastung der Zylinder die
Nachdrückwerkzeuge wieder in die Ausgangsposition zurück verlagern.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt ebenfalls eine gemeinsame
Verlagerung der Stützdorne und der Nachdrückwerkzeuge
vor der Umformung eines Rohrs bzw. nach der Fertigstellung eines
Torsionsprofils.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
der Perspektive ein Torsionsprofil für eine Verbundlenkerachse;
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2 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 1 entlang
der Linie II-II in Richtung der Pfeile IIa gesehen;
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3 im
schematischen vertikalen Längsschnitt eine Umformvorrichtung
zur Herstellung eines Torsionsprofils gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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4 den
Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter
Darstellung in der Ausgangsposition der Umformvorrichtung;
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5 den
Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter
Darstellung nach dem Umformen des Rohrs;
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6 den
Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter
Darstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform
einer Umformvorrichtung vor der Bearbeitung des Rohrs und
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7 den
Ausschnitt IV der 3 in vergrößerter
Darstellung gemäß der zweiten Ausführungsform
nach dem Umformen des Rohrs.
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In
den 1 und 2 ist mit 1 ein Torsionsprofil
für eine ansonsten nicht näher veranschaulichte
Verbundlenkerachse eines Personenkraftwagens bezeichnet.
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Das
Torsionsprofil 1 ist aus einem ursprünglich kreisrunden
Rohr 2 hergestellt (3), dessen Querschnitt
in den Endabschnitten 3 des Torsionsprofils 1 über
die Länge a aufrechterhalten wurde.
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Die
kreisrunden Querschnitte gehen in Übergangsabschnitten 4 mit
der Länge b kontinuierlich in einen U-förmig gemuldeten,
doppelwandigen mittleren Längenbereich 5 über,
der sich über die Länge c des Torsionsprofils 1 erstreckt
und mittels einer nachfolgend noch näher erläuterten
spanlosen Umformung hergestellt wird.
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Die 3 zeigt
im vertikalen Längsschnitt im Schema eine Vorrichtung 6 zum
Umformen eines im Querschnitt kreisrunden Rohrs 2 in ein
Torsionsprofil 1 gemäß den 1 und 2.
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In
den 4 und 5 ist zur Verdeutlichung jeweils
nur eine Hälfte der Umformvorrichtung 6 veranschaulicht,
und zwar einmal vor dem Umformen eines Rohrs 2 und einmal
nach der Fertigstellung eines Torsionsprofils 1.
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Die
Umformvorrichtung 6 umfasst zunächst eine in ihre
Basis 7 eingearbeitete, nach oben offene Aufnahmeschale 8,
welche an die Kontur des Rohrs 2 angepasst ist.
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Des
Weiteren umfasst die Umformvorrichtung 6 die Rohrenden 9 übergreifende
Haltebacken 10, die relativ zur Basis 7 in Richtung
der Doppelpfeile 11 beweglich und auf ihren den Rohrenden 9 zugewandten
Seiten 12 ebenfalls an deren Kontur angepasst sind. Diese
Haltebacken 10 bewirken mit der Aufnahmeschale 8 sowohl,
dass keine Verspannung der Rohrenden 9 erfolgt, als auch,
dass eine geringe Spielpassung für die Rohrenden 9 gegeben
ist. Das Rohr 2 kann sich folglich in Längsrichtung
der Aufnahmeschale 8 relativ zu dieser und den Haltebacken 10 bewegen.
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In
die Rohrenden 9 sind zylindrische Stützdorne 13 entsprechend
den Pfeilen Pf einfahrbar. Die Stützdorne 13 sind über
Dornstangen 14 mit doppelt wirkenden hydraulischen Zylindern 15 verbunden. Diese
Zylinder 15 sind ferner über die Dornstangen 14 umfassende
und an diesen geführte Verlängerungen 16 mit
hülsenförmigen Nachdrückwerkzeugen 17 gekoppelt.
Somit sind die Stützdorne 13 und die Nachdrückwerkzeuge 17 unabhängig
voneinander verlagerbar. Die gemeinsam mit den Stützdornen 13 an
Zwangsführungen 18 entlang verlagerbaren Nachdrückwerkzeuge 17 besitzen
abgeschrägte oder auch abgestufte Frontseiten 19.
Folglich liegen nur die der Aufnahmeschale 8 abgewandten
Umfangsabschnitte 20 der Frontseiten 19 in der
Ausgangsposition der Umformvorrichtung 6 gemäß den 3 und 4 an
den Stirnflächen 21 der Rohrenden 9.
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Schließlich
bildet noch ein Schwertstempel 22 einen Bestandteil der
Umformvorrichtung 6. Der Schwertstempel 22 ist
zwischen den Haltebacken 10 quer zum Rohr 2 relativ
beweglich gelagert. Mit dem Schwertstempel 22 wird der
mittlere Längenbereich 5 des Torsionsprofils 1 gemäß den 1 und 2 geformt.
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Nach
der Lageorientierung des Rohrs 2 in der Umformvorrichtung 6 und
der Positionierung der Stützdorne 13 in den Rohrenden 9 sowie
der Nachdrückwerkzeuge 17 stirnseitig der Rohrenden 9 erfolgt
eine Verlagerung des Schwertstempels 22 in Richtung auf
das Rohr 2 gemäß dem Pfeil Pf1. Nach dem
Kontakt des Schwertstempels 22 mit dem Rohr 2 werden
gleichzeitig mit Hilfe der Zylinder 15 die Nachdrückwerkzeuge 17 dosiert
mit den Drücken P gegeneinander bewegt. Hierdurch wird
gemäß dem Pfeil Pf2 in 5 Material
der Rohrenden 9 in den den Haltebacken 10 benachbarten
Umfangsbereichen in Richtung auf den Schwertstempel 22 nachgeschoben.
Auf diese Weise werden Wanddickenreduzierungen in den Übergangsabschnitten 4 zwischen dem
mittleren Längenbereich 5 und den Rohrenden 9 mit
der Gefahr von Rissbildungen vermieden.
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In
der Endposition der Umformung des Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 (siehe 5)
existiert folglich im mittleren Längenbereich 5 ein
doppelwandiges Profil (2), während in den
Rohrenden 9 der ursprüngliche kreisrunde Zustand
erhalten geblieben ist. Es ist dabei in 5 ferner
zu sehen, dass die Rohrenden 9 in den den Haltebacken 10 benachbarten
Umfangsabschnitten 21 weiter in Richtung auf den Schwertstempel 22 verlagert
sind als in den der Aufnahmeschale 8 benachbarten Umfangsabschnitten 23.
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Nach
der Umformung des Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 wird
der Schwertstempel 22 gemäß dem Pfeil
Pf3 in 5 wieder vom Torsionsprofil 1 wegbewegt.
Es werden dann die Haltebacken 10 von den Rohrenden 9 weg
verlagert und es werden die Nachdrückwerkzeuge 17 zusammen
mit den Stützdornen 13 von den Rohrenden 9 entfernt.
Das fertige Torsionsprofil 1 kann aus der Aufnahmeschale 8 heraus gehoben
werden.
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Die 6 und 7 zeigen
im Schema eine weitere Umformvorrichtung 6a zur Hälfte
entsprechend den Darstellungen der 4 und 5 mit nur
einem Rohrende 9, jeweils in der Ausgangsposition (6)
und in der Endposition (7).
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Die
Umformvorrichtung 6a unterscheidet sich von derjenigen
gemäß den 3 bis 5 zunächst
dadurch, dass einfach wirkende hydraulische Zylinder 24 zum
Einsatz gelangen. Diese stehen über Zylinderstangen 25 mit
Drucktellern 26 in Verbindung, die ihrerseits mit hülsenförmigen
Nachdrückwerkzeugen 17a verbunden sind, welche
an ihren Frontseiten 19 dieselbe Ausbildung wie die Nachdrückwerkzeuge 17 gemäß den 3 bis 5 aufweisen.
D. h., die Frontseiten 19 besitzen Umfangsabschnitte 20,
welche an den der Aufnahmeschale 8 abgewandten Stirnflächenbereichen 21 der
Rohrenden 9 zur Anlage gelangen.
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Die
Druckteller 26 sind über Koppelstücke 27 relativbeweglich
mit Stützdornen 13a verbunden. Zwischen den Stützdornen 13a und
den Drucktellern 26 befinden sich Druckfedern 28.
Außerdem sind die Stützdorne 13a mit
radialen Nasen 29 versehen, die durch Aussparungen 30 in
den Nachdrückwerkzeugen 17a ragen.
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In
der in der 6 dargestellten Ausgangsposition
der Umformvorrichtung 6a sind die Stützdorne 13a in
die Rohrenden 9 eingefahren worden. Haben die Stützdorne 13a aufgrund
des Kontakts der Nasen 29 mit Anschlägen 31 an
der Basis 7 ihre Endlage erreicht, werden die gleichzeitig
mit heran gefahrenen Nachdrückwerkzeuge 17a parallel
zur Absenkung des Schwertstempels 22 auf das Rohr 2 von den
Zylindern 24 mit den Drücken P gegen die Rückstellkraft der
Druckfedern 28 weiter in Richtung auf den Schwertstempel 22 verlagert,
wobei das Rohrmaterial in den der Aufnahmeschale 8 abgewandten Umfangsabschnitten
der Rohrenden 9 gestaucht wird (Pfeil Pf2 in 7).
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Die
Endposition ist erreicht, wenn der Schwertstempel 22 die
Lage gemäß der 7 erreicht
hat. Die Zylinder 24 werden dann entlastet und die Druckfedern 28 verlagern
die Druckteller 26 mit den Nachdrückwerkzeugen 17a in
die Position gemäß 6. Der Schwertstempel 22 wird
nun wieder vom Torsionsprofil 1 weg bewegt und die Stützdorne 13a zusammen
mit den Nachdrückwerkzeugen 17a vom Torsionsprofil 1 entfernt.
Dies erfolgt entlang einer Zwangsführung 18, wie
sie bereits anhand der 3 bis 5 beschrieben
worden ist.
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Die
zweite Umformvorrichtung 6a arbeitet genau wie die erste
Umformvorrichtung 6, wobei lediglich die Nachdrückwerkzeuge 17a von
den Zylindern 24 nicht aktiv nach Beendigung der Umformung des
Rohrs 2 zum Torsionsprofil 1 zurück bewegt
werden, sondern dass dies mittels der Druckfedern 28 erfolgt.
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- 1
- Torsionsprofil
- 2
- Rohr
- 3
- Endabschnitte
v. 1
- 4
- Übergangsabschnitte
v. 1
- 5
- mittlerer
Längenbereich v. 1
- 6
- Umformvorrichtung
- 6a
- Umformvorrichtung
- 7
- Basis
v. 6 u. 6a
- 8
- Aufnahmeschale
in 7
- 9
- Rohrenden
- 10
- Haltebacken
- 11
- Pfeile
- 12
- Seiten
v. 10
- 13
- Stützdorne
- 13a
- Stützdorne
- 14
- Dornstangen
- 15
- Zylinder
- 16
- Verlängerungen
- 17
- Nachdrückwerkzeuge
- 17a
- Nachdrückwerkzeuge
- 18
- Zwangsführungen
f. 17 u. 13 bzw. 17a u. 13a
- 19
- Frontseiten
v. 17 u. 17a
- 20
- Umfangsabschnitte
v. 19
- 21
- Stirnflächen
v. 9
- 22
- Schwertstempel
- 23
- Umfangsabschnitte
v. 9
- 24
- Zylinder
- 25
- Zylinderstangen
- 26
- Druckteller
- 27
- Koppelstücke
- 28
- Druckfedern
- 29
- Nasen
an 13a
- 30
- Aussparungen
in 17a
- 31
- Anschläge
an 7
- a
- Länge
v. 3
- b
- Länge
v. 4
- c
- Länge
v. 5
- P
- Axialdruck
- Pf
- Pfeile
- Pf1
- Pfeil
- Pf2
- Pfeil
- Pf3
- Pfeil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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