DE102015100801A1

DE102015100801A1 - Stauchvorrichtung und Verfahren jeweils zum Elektrostauchen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102015100801A1
Application number: DE102015100801.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Otto; Mathias Taubmann; Kai Krzyzanowski; Siegfried Hausdörfer
Original assignee: Langenstein and Schemann GmbH
Current assignee: Langenstein and Schemann GmbH
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015100801B4

Abstract

Stauchvorrichtung und Verfahren zum Elektrostauchen von Werkstücken, umfassend eine Staucheinheit zum Aufbringen einer Stauchkraft auf ein Werkstück zwischen einer ersten Stützfläche und einer von dieser abgewandten zweiten Stützfläche des Werkstücks und eine erste und eine zweite Elektrodeneinheit zum elektrischen Aufheizen eines zwischen ihnen liegenden Formänderungsbereichs des Werkstückes auf eine Umformtemperatur während des Stauchvorganges, wobei die Staucheinheit einen in einer Vorschubrichtung axial bewegbaren Stauchkörper mit einer ersten Abstützfläche für die erste Stützfläche am Werkstück und einen in der Vorschubrichtung bewegbaren Ausweichkörper mit einer zweiten Abstützfläche für die zweite Stützfläche am Werkstück sowie eine Stelleinrichtung, die mit dem Stauchkörper und dem Ausweichkörper in Wirkverbindung bringbar ist, zum Stellen eines axialen Abstandes in Vorschubrichtung zwischen den Abstützflächen von Stauchkörper und Ausweichkörper, aufweist, wobei die erste Elektrodeneinheit von der zweiten Abstützfläche um einen während des Stauchvorganges konstanten axialen Abstand axial entgegengesetzt zur Vorschubrichtung beabstandet angeordnet ist und mit dem Ausweichkörper der Staucheinheit mitbewegbar ist, wobei die zweite Elektrodeneinheit zwischen der ersten Elektrodeneinheit und der ersten Abstützfläche am Stauchkörper angeordnet ist und während des Stauchvorganges an einer festen axialen Position angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stauchvorrichtung und ein Verfahren jeweils zum Elektrostauchen von Werkstücken.
In der Produktinformationsschrift „Elektro-Stauchmaschinen" der Fa. Lasco Umformtechnik GmbH, veröffentlicht im Oktober 2012, wird das Massivumformverfahren des Elektro-Stauchens beschrieben. Beim Elektro-Stauchen wird ein Werkstück zwischen einem über einen Hydraulik-Zylinder antreibbaren Stauchkörper und einer Ambosselektrode angeordnet. Ein Stangenabschnitt des Werkstücks wird begrenzt durch die Ambosselektrode am Ende des Werkstücks und eine weitere Kontaktelektrode und durch den Stangenabschnitt fließt bei niedriger Wechselspannung ein hoher elektrischer Strom. Durch die große Stromdichte und den ohmschen Widerstand des Materials erwärmt sich der Stangenabschnitt. Gleichzeitiger Vorschub über einen Hydraulik-Zylinder in einer Stauchrichtung erzeugt eine Volumenansammlung im erwärmten Stangenabschnitt. Mit wachsendem Materialvolumen wird der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert und weicht die Ambosselektrode zurück, um Raum für die Volumenänderung zu schaffen.
Man unterscheidet zwischen Freistauchen, bei dem die Volumenänderung des an der Ambosselektrode anliegenden Endbereichs des Werkstücks durch Regelung der Vergrößerung des Abstandes der Elektroden erfolgt, und Formstauchen, bei dem die Volumenänderung in ein Gesenk oder eine Form erfolgt, die somit die äußere Gestalt des Stauchbereichs vorgibt, sowie Matrizenstauchen, das eine Mischung aus Freistauchen und Formstauchen ist.
Vorteile dieses Elektrostauchens sind im Vergleich zu anderen Schmiedevefahren wie Hammerschmieden oder Schmiedepressen oder Schmiedewalzen eine genaue Volumeneinhaltung und hohe Umformqualität, ohne Grate und in dem Faserverlauf des Werkstücks, ein geringer spezifischer Energieverbrauch und keine Materialverschwendung, da nur der umzuformende Bereich erwärmt wird und keine anderen Bereiche beschädigt oder entfernt werden, kaum Zunderanfall und keine Belastung von Mensch und Umwelt durch transportierte heiße Schmiedeteile und deren Strahlungswärme, durch mechanische Erschütterungen oder Lärm.
Die DE 960 946 beschäftigt sich schon mit einem Freistauch-Verfahren zum Elektrostauchen von Werkstückköpfen zwischen einer Ambosselektrode und einer Führungselektrode durch selbsttätiges Verstellen des Abstands der Elektroden abhängig von der zu erzeugenden Stauchkopfform, wobei die Abstandsänderung durch Vergleich der erzeugten mit der zu erzeugenden Stauchkopfform gesteuert wird.
Ferner beschreibt die DE 916 721 ein Verfahren zum Elektrostauchen, bei dem das Werkstück über Klemmelektroden quer beheizt und über Klemm- und Ambosselektroden längs beheizt wird.
Aus DE 1 240 369 ist nun eine Vorrichtung zum Elektrostauchen von zylindrischen oder prismatischen Fertigformen etwa in Stangenmitte bekannt, bestehend aus einem geschlossenen Gesenk mit einem in die Gesenkbohrung eingesetzten, zur Steuerung des Stauchdrucks beim Stauchvorgang zurückweichenden Ambossstück für die eine Stromzuführungsseite sowie einer Elektrode und einer Druckeinrichtung auf der anderen Stromzuführungsseite. Es handelt sich also um ein Formstauchen.
Die bekannten Elektrostauchvorrichtungen und -verfahren sind entweder nur zum Endstauchen von Endbereichen der Werkstücke geeignet und nicht für Elektrostauchen in Mittenbereichen oder inneren Bereichen, also Werkstückbereichen, die beabstandet von den Enden des Werkstücks sind, oder sie sind nur unter Verwendung von Gesenken für das Elektrostauchen in Mittenbereichen von Werkstücken einsetzbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche für das Freistauchen in inneren Bereichen oder Mittenbereichen von Werkstücken, insbesondere zumindest vor dem Stauchen in einer Längsrichtung oder entlang einer Werkstückachse bevorzugt ausgedehnten (oder: länglichen, langgestreckten), insbesondere stangenförmigen, Werkstücken, vorteilhaft verwendet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe geeignete Ausführungsformen und Gegenstände gemäß der Erfindung sind insbesondere in den Patentansprüchen angegeben, die insbesondere auf eine Stauchvorrichtung zum Elektrostauchen von Werkstücken, insbesondere mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und ein Verfahren zum Elektrostauchen von Werkstücken, insbesondere mit den Merkmalen des Anspruchs 7, gerichtet sind.
Die beanspruchbaren Merkmalskombinationen und Gegenstände gemäß der Erfindung sind nicht auf die gewählte Fassung und die gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche beschränkt. Vielmehr kann jedes Merkmal einer Anspruchskategorie, beispielsweise einer Vorrichtung, kann auch in einer anderen Anspruchskategorie, beispielsweise einem Verfahren beansprucht werden. Ferner kann jedes Merkmal in den Patentansprüchen, auch unabhängig von deren Rückbeziehungen, in einer beliebigen Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmal(en) in den Patentansprüchen beansprucht werden. Außerdem kann jedes Merkmal, das in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist, für sich, unabhängig oder losgelöst von dem Zusammenhang, in dem es steht, allein oder in jeglicher Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, das oder die in den Patentansprüchen oder in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist oder sind, beansprucht werden.
Die Stauchvorrichtung gemäß Anspruch 1 ist zum Elektrostauchen von, vorzugsweise länglichen oder stangenförmigen, Werkstücken geeignet und bestimmt und umfasst eine Staucheinheit zum Aufbringen einer Stauchkraft auf ein Werkstück zwischen einer ersten Stützfläche und einer von der ersten Stützfläche abgewandten zweiten Stützfläche des Werkstücks während eines Stauchvorgangs und eine erste Elektrodeneinheit und eine zweite Elektrodeneinheit zum elektrischen Aufheizen eines zwischen ihnen liegenden Formänderungsbereichs des Werkstückes auf wenigstens eine Umformtemperatur während des Stauchvorganges.
Die Staucheinheit weist einen in zumindest einer Vorschubrichtung axial bewegbaren oder bewegten Stauchkörper mit wenigstens einer ersten Abstützfläche für die erste Stützfläche am Werkstück und einen wenigstens in der Vorschubrichtung bewegbaren oder bewegten Ausweichkörper mit wenigstens einer zweiten Abstützfläche für die zweite Stützfläche am Werkstück sowie eine Stelleinrichtung (oder: Kontrolleinrichtung, Steuer- oder Regeleinrichtung), die mit dem Stauchkörper und dem Ausweichkörper in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, zum Stellen (oder: Steuern, Regeln) eines axialen Abstandes in Vorschubrichtung zwischen den Abstützflächen von Stauchkörper und Ausweichkörper, auf.
Die erste Elektrodeneinheit ist von der zweiten Abstützfläche um einen zumindest während des Stauchvorganges konstanten axialen Abstand axial entgegengesetzt zur Vorschubrichtung beabstandet angeordnet und mit dem Ausweichkörper der Staucheinheit mitbewegbar.
Die zweite Elektrodeneinheit ist zwischen der ersten Elektrodeneinheit und der ersten Abstützfläche am Stauchkörper angeordnet ist und zumindest während des Stauchvorganges an einer festen axialen Position angeordnet.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Elektrostauchen von, vorzugsweise länglichen oder stangenförmigen, Werkstücken, ist in Anspruch 7 angegeben.
Bei diesem Verfahren wird während eines Stauchvorganges ein Werkstück zwischen einer ersten Stützfläche und einer von der ersten Stützfläche abgewandten zweiten Stützfläche mit einer Stauchkraft beaufschlagt und ein zwischen den beiden Stützflächen liegender und von beiden Stützflächen beabstandeter Formänderungsbereich des Werkstückes mittels eines durch den Formänderungsbereich fließenden elektrischen Heizstromes auf wenigstens eine Umformtemperatur erwärmt wird und durch die gleichzeitige Beaufschlagung mit der Stauchkraft in einem Freiformprozess, d. h. ohne Gesenk, gestaucht wird und durch Nachfließen oder Nachführen von Material des Werkstückes in seiner Form oder seinem Volumen oder seinem Querschnitt vergrößert wird. Der Heizstrom wird insbesondere mittels einer ersten Elektrodeneinheit und einer zweiten Elektrodeneinheit, die an jeweiligen von den Stützflächen beabstandeten Kontaktflächen des Werkstücks in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Werkstück gebracht sind, eingebracht.
Durch Abstimmung der Bewegungsgeschwindigkeiten oder der Relativgeschwindigkeit, beispielsweise als kontinuierliche Bewegungsgeschwindigkeit der Staucheinheit und als variable Bewegungsgeschwindigkeit der ersten Klemmelektrodeneinheit oder vice versa, und des Heizstromes können bestimmte Geometrien an dem Formänderungsbereich des Werkstücks erzeugt werden. Insbesondere kann durch geeignete Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeiten der Staucheinheit und der ersten Klemmelektrodeneinheit die Umformgeschwindigkeit und/oder Einstellung der aus der anfänglichen Stauchkraft und der Relativbewegung oder auch der Kraftregelung sich ergebenden Stauchkraft in dem Formänderungsbereich eingestellt werden. Insbesondere ist mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung ein Elektro-Freistauchen in einem inneren Bereich oder Mittenbereich, also einem von einem Ende beabstandeten Bereich, eines Werkstücks geschaffen, das man als Mittenfreistauchen bezeichnen könnte und bei dem kein Gesenk verwendet werden muss, also keine räumliche Begrenzung durch ein Gesenk für das Werkstück zwischen den Elektrodeneinheiten vorgesehen ist, sondern vielmehr das Werkstück frei formbar oder frei in seinem Volumen änderbar ist. Die eingangs erwähnten Vorteile des Elektrostauchens gelten auch für das Elektrostauchen gemäß der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erste Elektrodeneinheit wenigstens zwei Klemmelektroden zum Klemmen an ersten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder vertikal gegenüberliegenden, Kontaktflächen des Werkstücks in elektrisch leitendem Kontakt und die zweite Elektrodeneinheit wenigstens zwei Klemmelektroden zum Klemmen an zweiten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder horizontal gegenüberliegenden, Kontaktflächen des Werkstücks in elektrisch leitendem Kontakt und ferner vorzugsweise eine elektrische Versorgungseinheit zum Anlegen eines elektrischen Heizstromes zwischen den Klemmelektroden der beiden Elektrodeneinheiten, welcher Heizstrom über die Kontaktflächen durch den Formänderungsbereich des Werkstücks fließt und diesen resistiv auf die Umformtemperatur erwärmt. Vorzugsweise stellt die Stelleinrichtung zum Freiformen des Werkstücks im Formänderungsbereich den axialen Abstand zwischen den Abstützflächen von Stauchkörper und Ausweichkörper in Abhängigkeit vom Heizstrom.
Die erste Elektrodeneinheit kann nun in einer vorteilhaften Ausgestaltung für die erste Klemmelektrode und für die zweite Klemmelektrode, insbesondere für den Klemmelektroden zugeordnete Trägerschlitten, jeweils zugeordnete, insbesondere als Hydraulikkolbenantriebe ausgebildete, Aktuatoren zur lateral oder radial zur Vorschubrichtung gerichteten Bewegung der Klemmelektroden und zum Einstellen des über deren Klemmflächen auf das Werkstück ausgeübten Klemmdruckes umfassen, wobei wenigstens einem Aktuator, insbesondere einem Aktuator für eine obere Klemmelektrode, eine mechanische Arretiereinheit zugeordnet ist zum Arretieren des Aktuators und damit der zugehörigen Klemmelektrode in seiner bzw. ihrer radialen Lage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der zweiten Elektrodeneinheit eine Zentrierspanneinheit zugeordnet oder von dieser umfasst, die zwei Zentrierspannelemente aufweist, die über eine Gleichlaufeinrichtung symmetrisch bezüglich einer Zentrierachse, die insbesondere während des Stauchvorgangs durch das Werkstück verläuft, aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind und vorzugsweise linear gegeneinander geführt und/oder über druckbeaufschlagte Kolben angetrieben sind, wobei auf oder an einem ersten der beiden Zentrierspannelemente eine Klemmelektrode der zweiten Elektrodeneinheit und auf oder an einem zweiten der beiden Zentrierspannelemente die oder eine andere Klemmelektrode der zweiten Elektrodeneinheit befestigt oder gehalten ist.
Zweckmäßigerweise weist der Ausweichkörper ein Distanzstück auf, an dem die wenigstens eine zweite Abstützfläche ausgebildet ist, wobei über die Wahl der axialen Länge des Distanzstückes oder den Einsatz von Distanzstücken unterschiedlicher axialer Länge der während des Stauchvorganges konstante axiale Abstand der ersten Elektrodeneinheit von der zweiten Abstützfläche einstellbar ist.
Vorzugsweise sind oder ist der Ausweichkörper und/oder das Distanzstück zumindest teilweise elektrisch isolierend ausgebildet und dadurch bei anliegendem Heizstrom von keinem nennenswerten elektrischen Strom durchflossen.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird bevorzugt eine Stauchvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein oder der Stauchkörper einer oder der Staucheinheit mit seiner wenigstens einen ersten Abstützfläche in Anschlag oder Kontakt zur ersten Stützfläche am Werkstück gebracht und ein oder der Ausweichkörper mit seiner wenigstens einen zweiten Abstützfläche in Anschlag oder Kontakt zur zweiten Stützfläche am Werkstück gebracht. Mittels einer oder der Stelleinrichtung wird der axiale Abstand in Vorschubrichtung zwischen den Abstützflächen von Stauchkörper und dem Ausweichkörper während des Stauchvorganges verkleinert, insbesondere indem der Stauchkörper in der Vorschubrichtung mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt wird als der Ausweichkörper, wodurch die Stauchkraft generiert oder aufrechterhalten wird. Dabei wird oder ist die erste Elektrodeneinheit von der zweiten Abstützfläche um einen vorgegebenen während des Stauchvorganges konstanten axialen Abstand axial entgegengesetzt zur Vorschubrichtung beabstandet gehalten und mit dem Ausweichkörper mitbewegt. Die zweite Elektrodeneinheit wird dagegen zwischen der ersten Elektrodeneinheit und der ersten Abstützfläche am Stauchkörper angeordnet und zumindest während des Stauchvorganges an einer festen axialen Position angeordnet oder gehalten, wobei das Werkstück beim Stauchvorgang durch die zweite Elektrodeneinheit, insbesondere deren Klemmelektroden, über einen bestimmten axialen Bereich durchrutscht oder durchgleitet unter Beaufschlagung mit einer bestimmten Rutsch- oder Gleit- und/oder Haftreibung.
Insbesondere wird die Gestalt des Formänderungsbereiches durch die Umformtemperatur oder durch den Heizstrom zwischen den Elektrodeneinheiten durch den Formänderungsbereich einerseits und durch die zeitlichen Geschwindigkeitsverläufe der Geschwindigkeiten von Stauchkörper und Ausweichkörper andererseits gesteuert.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden drei spezielle Verfahrensschritte bei der Inbetriebnahme oder dem Rüsten und Kontaktieren des Werkstückes zu Beginn des Stauchvorganges durchgeführt.
In einem ersten Verfahrensschritt zu Beginn eines Stauchvorgangs wird das Werkstück eingelegt oder auch zwischen die Abstützflächen eingespannt, wobei die beiden Elektrodeneinheiten noch nicht in vollständigem Kontakt mit dem Werkstück sind.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die zweite Elektrodeneinheit mittels der Zentriereinheit mit dem Werkstück in Kontakt gebracht, wobei sich wenigstens zwei Klemmelektroden jeder Elektrodeneinheit, insbesondere mittels zugeordneter Zentrierspannelemente, symmetrisch bezüglich einer Zentrierachse oder eines Zentrierpunktes auf das Werkstück zu bewegen und an den Kontaktflächen in leitendem Kontakt mit einer vorgegebenen Klemmkraft einklemmen.
Bei asymmetrischem Verschleiß der Klemmelektroden, insbesondere aufgrund des Abriebs oder der Abrasion durch durchrutschende Werkstücke in zuvor erfolgten Stauchvorgängen, wird dabei eine, insbesondere parallel oder axial zur Vorschubrichtung verlaufende oder angeordnete, Werkstückachse des Werkstücks zur Zentrierachse um einen von dem Verschleiß abhängigen Betrag verschoben.
In einem dritten Verfahrensschritt wird die erste Elektrodeneinheit in Kontakt mit dem Werkstück gebracht.
Vorzugsweise wird im dritten Verfahrensschritt zunächst nur eine oder die erste Klemmelektrode der ersten Elektrodeneinheit, insbesondere mittels eines oder des, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators und/oder insbesondere radial zur Werkstückachse, gegen eine Kontaktfläche des Werkstücks gefahren und unter einem geringen Anlagedruck angelegt, so dass das Werkstück im Wesentlichen nicht radial verschoben oder verbogen wird, sondern im Wesentlichen in der im zweiten Verfahrensschritt zentrierten Lage seiner Werkstückachse verbleibt, und dann in dieser Position arretiert, insbesondere mittels einer oder der Arretiereinheit des Aktuators.
Danach wird in dem dritten Verfahrensschritt eine oder die zweite Klemmelektrode der ersten Elektrodeneinheit, insbesondere mittels eines oder des zugehörigen, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators, gegen eine oder die zugehörige Kontaktfläche des Werkstücks gefahren, und dann wird das Werkstück mit einem höheren Klemmdruck, insbesondere deutlich höher als der Anlagedruck, zwischen den beiden Klemmelektroden festgeklemmt.
Auf diese Weise ist eine hydraulisch entkoppelte Halterung für das Werkstück geschaffen, welche das Werkstück mit einer ausreichenden Druckkraft festlegt, wobei keine durch hydraulische Verbindungen zwischen den Klemmelektroden erzeugte Ausweichbewegungen der Klemmelektroden entstehen können. Die Konzentrizität der Achsen rechts und links des Staubereichs kann dadurch auch nach dem Stauchvorgang gewährleistet werden.
Gemäß der Erfindung können vorteilhaft auch Werkstücke, die bereits vorausgegangenen Umformschritten, insbesondere an einem Ende durch Endstauchen, unterzogen wurden, bearbeitet werden. Der umzuformende Bereich an dem Werkstück wird durch die Platzierung der Elektrodeneinheiten festgelegt und kann beliebig gewählt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Freiform-Stauchung ermöglicht ist, wobei auf ein Gesenk verzichtet wird. Eine Freiform-Stauchung wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Elektrodeneinheiten erfindungsgemäß eine Ausweichbewegung ausführen, um die Volumenänderung zu ermöglichen und zu beeinflussen.
In einer Weiterbildung gemäß der Erfindung ist wenigstens eine Klemmelektrode oder eine Klemmbacke derselben gekühlte, insbesondere wassergekühlt, ausgebildet und/oder aus einem gut stromleitenden Material, insbesondere einem eine Kupfer-Legierung enthaltenden oder umfassenden Material, gebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren
1 eine schematische Darstellung des Werkstücks, der elektrischen Heizeinheit und der Staucheinheit zu Beginn eines Stauchvorgangs,
2 eine schematische Darstellung des Werkstücks, der Heizeinheit und der Staucheinheit nach 1 nach Abschluss des Stauchvorgangs,
3 eine schematische Darstellung des Werkstücks, der Heizeinheit und der Staucheinheit zu Beginn eines Stauchvorgangs mit einer zu 1 alternativen Werkstückgeometrie,
4 eine schematische Darstellung des Werkstücks, der Heizeinheit und der Staucheinheit nach 3 nach Abschluss des Stauchvorgangs,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Stauchvorrichtung in geschnittener Darstellung von der Seite,
6 ein Detailausschnitt der Stauchvorrichtung nach 5,
7 ein Detailausschnitt der Stauchvorrichtung nach 5 mit alternativer Werkstückgeometrie am Werkstückkopf,
8 eine Stauchvorrichtung gemäß 5 in perspektivischer Darstellung zu Beginn eines Stauchvorgangs und
9 die Stauchvorrichtung gemäß 8 in perspektivischer Darstellung am Ende oder nach Abschluss des Stauchvorgangs
jeweils schematisch gezeigt sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 und 2 sowie 3 und 4 zeigen schematisch in Prinzipskizzen jeweils ein zumindest vor dem Stauchvorgang entlang einer Längsachse (oder: Werkstückachse) A bevorzugt ausgedehntes (oder: längliches, lang gestrecktes), insbesondere stangenförmiges, Werkstück 2, das in einer Stauchvorrichtung 1 eingespannt oder gehalten ist und in einem Formänderungsbereich (oder: Stauchbereich) durch Elektrostauchen, also durch Kombination aus elektrischem Aufheizen und (mechanischem) Stauchen, im Volumen vergrößert oder mit einer Materialansammlung versehen wird.
Die Stauchvorrichtung 1 umfasst zunächst eine einen Stauchkörper 19 und einen Ausweichkörper 11 aufweisende Staucheinheit zum Aufbringen einer Stauchkraft FS auf das Werkstück 2 zwischen einer ersten Stützfläche 2a und einer von der ersten Stützfläche 2a abgewandten zweiten Stützfläche 2b des Werkstücks 2 während eines Stauchvorgangs. Der Stauchkörper 19 ist in einer Vorschubrichtung V bewegbar oder bewegt und weist wenigstens eine erste Abstützfläche 190 für die erste Stützfläche 2a am Werkstück 2 auf. Der Ausweichkörper 11 ist ebenfalls in Vorschubrichtung V bewegbar oder bewegt und weist wenigstens eine zweite Abstützfläche 110 für die zweite Stützfläche 2b am Werkstück 2 auf. Zwischen den Abstützflächen 190 und 110 wird durch die Relativposition von Stauchkörper 19 und Ausweichkörper 11 die in der Vorschubrichtung V gerichtete Stauchkraft FS auf das Werkstück 2 aufgebaut. Dazu umfasst die Staucheinheit eine Stelleinrichtung (oder: Kontrolleinrichtung, Steuer- und/oder Regeleinrichtung) 40, die mit dem Stauchkörper 19 und dem Ausweichkörper 11 in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, zum Stellen (oder: Steuern oder Regeln) eines Abstandes oder einer Relativposition zwischen den Abstützflächen 190 und 110 von Stauchkörper 19 und Ausweichkörper 11 und/oder zum Stellen (oder: Steuern oder Regeln) der Geschwindigkeiten v1 von Stauchkörper 19 und v2 von Ausweichkörper 11 in der Vorschubrichtung V, vorzugsweise über in 1 bis 4 nicht dargestellte Antriebe oder Aktoren und ggf. Sensoren.
Ferner umfasst die Stauchvorrichtung 1 eine erste Elektrodeneinheit mit zwei Klemmelektroden 5 und 6 und eine zweite Elektrodeneinheit mit zwei Klemmelektroden 7 und 8 zum elektrischen Aufheizen des zwischen den beiden mit dem Werkstück 2 kontaktierten Elektrodeneinheiten liegenden Formänderungsbereichs 28 des Werkstückes 2 auf zur Umformung des Werkstoffes des Werkstückes 2 geeignete Umformtemperaturen. Die Klemmelektroden 5 und 6 der ersten Elektrodeneinheit liegen an ersten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder vertikal gegenüberliegenden, Kontaktflächen 2c des Werkstücks 2 unter einer bestimmten Klemm- oder Andrückkraft F₅ bzw. F₆ in elektrisch leitendem Kontakt an. Die Klemmelektroden 7 und 8 der zweiten Elektrodeneinheit liegen an zweiten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder horizontal gegenüberliegenden, Kontaktflächen 2d des Werkstücks 2 unter einer bestimmten Klemm- oder Andrückkraft F₇ bzw. F₈ in elektrisch leitendem Kontakt an. Der Begriff ”Klemmen” soll hier auch eine prinzipiell denkbare Ausführungsform umfassen, bei der nur von einer Seite eine Elektrode an das Werkstück in elektrisch leitenden Kontakt gedrückt wird.
Die erste Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 5 und 6 ist mit dem Ausweichkörper 11 (kinematisch) gekoppelt, vorzugsweise über direkte mechanische Kopplung oder ein mechanisches Verbindungselement oder auch über eine steuerungstechnische Kopplung über die Stelleinrichtung 40. Ferner ist die erste Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 5 und 6 vorzugsweise von der ersten Abstützfläche 110 am Ausweichkörper 11 um einen vorgegebenen, vorzugsweise konstant bleibenden, Abstand a_const in oder axial zur Vorschubrichtung V beabstandet angeordnet. Die erste Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 5 und 6 ist relativ zur ersten Abstützfläche 190 am Stauchkörper 19 und relativ zur zweiten Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 7 und 8 axial zur Vorschubrichtung V bewegbar und im zur Vorschubrichtung V axialen Abstand zu diesen veränderbar. Auch diese axiale Relativbewegung der beiden Elektrodeneinheiten wird bevorzugt über die Stelleinrichtung 40, vorzugsweise über einen in den 1 bis 4 nicht dargestellten Antrieb oder Aktor und ggf. Sensor(en), bewirkt oder gestellt.
Der Ausweichkörper 11, der mit dem Amboss im Stand der Technik verglichen werden kann, ist nicht elektrisch aktiv, d. h. es fließt kein nennenswerter elektrischer Strom durch ihn und an der Anlagestelle zwischen Abstützfläche 110 und Stützfläche 2b in das oder aus dem Werkstück 2, d. h. der Ausweichkörper 11 ist keine Ambosselektrode wie beim Stand der Technik.
1 zeigt eine Situation zu Beginn eines Stauchvorgangs zu einem Zeitpunkt t0. Das Werkstück 2 ist noch nicht umgeformt, sondern weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen durchgehend konstanten, z. B. runden, Querschnitt auf und hat auch an seiner als Stützfläche 2b an der Abstützfläche 110 anliegenden Stirnfläche im Endabschnitt 22 den gleichen Querschnitt. Zum Zeitpunkt t0 hat das Werkstück 2 die entlang seiner Längsachse A gemessene Länge L(t0) und der zur Längssachse A axiale Abstand zwischen den beiden Elektrodeneinheiten 5 und 6 einerseits und 7 und 8 andererseits (oder entsprechend: zwischen den Kontaktflächen 2c und 2d am Werkstück 2) ist a(t0). Die Abstützflächen 110 und 190 haben durch das Einstellen der axialen Positionen von Stauchkörper 19 und Ausweichkörper 11 auch den Abstand L(t0), allerdings ist zumindest eine axiale Vorspannung im Werkstück 2 und vorzugsweise auch schon eine Stauchkraft FS eingestellt. Hierzu kann insbesondere eine Positionsregelung der Abstützfläche 110 des Ausweichkörpers 11 oder eine Kraftregelung auf eine konstante Stauchkraft FS hinsichtlich der Abstützfläche 190 am Stauchkörper 19 vorgesehen sein. Es können aber auch andere Bewegungsgrößen wie Geschwindigkeiten oder Positionen von Abstützfläche 110 des Ausweichkörpers 11 und Abstützfläche 190 am Stauchkörper 19 geregelt werden.
Es wird nun ein elektrischer Heizstrom I, vorzugsweise ein elektrischer niederfrequenter Wechselstrom, von den Klemmelektroden 5 und 6 über die Kontaktflächen 2c in das Werkstück 2 eingeleitet, der über die Kontaktflächen 2d wieder in die Klemmelektroden 7 und 8 fließt und den dazwischen liegenden Formänderungsbereich 28 des Werkstücks 2 resistiv auf die Umformtemperatur(en) erwärmt. Die Stromrichtung ist nur beispielhaft genannt und eingezeichnet, sie ändert sich beim Wechselstrom jedoch periodisch. Die Wechselspannung des Heizstromes I liegt z. B. im Bereich von 8 bis 12 V und die Stromstärke im Bereich von 10.000 bis 65.000 A je nach gewünschter Erwärmungsgeschwindigkeit oder Taktzeit und bei typischerweise 5 bis 60 Hz. Es kann aber auch ein Gleichstrom verwendet werden. Das Werkstück 2 wird durch diese elektrische Beheizung im Formänderungsbereich 28 weicher, d. h. in seinem Formänderungswiderstand reduziert, und plastisch umformbar. In den übrigen Bereichen, in denen das Werkstück 2 nicht von einem Heizstrom I durchflossen wird, bleibt es kälter und nicht durch die Stauchkraft FS umformbar.
Es wird nun ein Stauchvorgang eingeleitet, indem bei gleichzeitiger Beaufschlagung des Werkstücks 2 mit dem elektrischen Heizstrom I zwischen den beiden Elektrodeneinheiten nun mittels der Stelleinrichtung 40 der Stauchkörper 19 mit einer Geschwindigkeit v1, die eine Funktion der Zeit t ist, und der Ausweichkörper 1 mit einer Geschwindigkeit v2, die ebenfalls eine Funktion der Zeit t ist und kleiner als die Geschwindigkeit v1 eingestellt wird, jeweils in Vorschubrichtung V bewegt werden. Die Stauchkraft FS führt nun zu einer Umformung im elektrisch beheizten und dadurch weichen oder umformbar gemachten Formänderungsbereich 28. Diese Umformung führt zu einer Materialansammlung oder Stauchung oder Volumenvergrößerung im Formänderungsbereich 28, die man auch an der Zunahme der von der Längsachse A gemessenen maximalen Breite b₁ des Werkstücks 2 im Formänderungsbereich 28 im Vergleich zur ursprünglichen und in den übrigen Bereichen gemessenen Breite b₀ erkennen kann.
Die Gestalt des Formänderungsbereiches 28 wird durch die Umformtemperatur, d. h. durch den Heizstrom, und durch die Geschwindigkeitsverläufe v1 und v2 abhängig von der Zeit t und/oder durch die Stauchkraft FS bestimmt und gesteuert. Um das Nachfließen und die Ansammlung des Materials in den Formgebungsbereich 28 zu ermöglichen und auch um an Kontaktflächen 2c und 2d am Werkstück 2 mit gleichbleibendem Querschnitt (Breite b₀) zu bleiben und der axialen Vergrößerung des Formänderungsbereiches 28 Rechnung zu tragen, wird auch der axiale Abstand zwischen den beiden Elektrodeneinheiten vergrößert.
2 zeigt beispielhaft eine Situation zu einem Zeitpunkt t1 > t0. Es ist eine kegelstumpfförmige Gestalt im Formänderungsbereich 28 erzeugt worden. Es sind aber sehr viele unterschiedliche andere Gestalten oder Formen erzeugbar. Der Stauchkörper 19 wurde um den Vorschubweg ΔL1 und der Ausweichkörper 11 wurde um den Vorschubweg ΔL2 in Vorschubrichtung V weiterbewegt, wobei ΔL1 > ΔL2 entsprechend dem Verlauf der mittleren Geschwindigkeiten v1 > v2. Die gestauchte oder verkürzte Länge des Werkstücks 2 und der entsprechende Abstand der Abstützflächen 110 und 190 beträgt nun L(t1) = L(t0) – ΔL1 + ΔL2. Der axiale Abstand zwischen den beiden Elektrodeneinheiten 5 und 6 einerseits und 7 und 8 andererseits und damit der Kontaktflächen 2c und 2d am Werkstück 2 ist vergrößert von a(t0) in 1 auf a(t1) in 2, wobei die Differenz a(t1) – a(t0) wenigstens ungefähr der Differenz L(0) – L(t1) entspricht. Der Abstand a(t1) entspricht auch der axialen Länge des Formänderungsbereiches 28. Der Abstand zwischen der ersten Elektrodeneinheit 5 und 6 und der Abstützfläche 110 am Ausweichkörper 11 oder der Abstand zwischen Stützfläche 2a und Kontaktflächen 2c am Werkstück 2 ist gleich geblieben und beträgt weiterhin a_const, wie in 1 zum Zeitpunkt t0.
3 unterscheidet sich von 1 und 4 unterscheidet sich von 2 jeweils nur darin, dass das Werkstück 2 im Endabschnitt 22 in 3 und 4 einen gegenüber 1 und 2 vergrößerten Querschnitt hat, beispielsweise eine glocken- oder trompetenförmige Vergrößerung, die mit einer entsprechend größeren Stützfläche 2b an der Stirnseite an der Abstützfläche 110 anliegt. Dies zeigt, dass auch schon bei vorgeformten, beispielsweise endgestauchten, Werkstücken mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung auch noch ein Mittenfreistauchen möglich ist, ohne den bereits vorgeformten Endabschnitt zu verändern.
Die 5 bis 9 zeigen in größerem konstruktivem Detail weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung.
Die Stauchvorrichtung 1 weist nun bevorzugt ein Gestell 3 auf mit Gestellsäulen 3a und 3b, die jeweils in ihren Endbereichen mit Trägerplatten 4a und 4b verbunden sind und so eine steife und verwindungsarme Tragstruktur für die Staucheinheit und die Heizeinheit der Stauchvorrichtung 1 bilden.
Der Ausweichkörper 11 ist an dem Gestell 3 über Führungen, beispielsweise an Linearführungen, axial oder parallel zur Längsachse A oder zur Vorschubrichtung V verschieblich gelagert, vorzugsweise mit einem Ausweichkolben 13 verbunden, der in einem an der Trägerplatte 4b befestigten Ausweichzylinder 12 geführt ist. Ausweichkolben 13 und Ausweichzylinder 12 sind bevorzugt als Hydraulikeinheit ausgeführt und dienen als axialer Antrieb für den Ausweichkörper 11. Die Hydraulikeinheit aus Ausweichzylinder 12 und Ausweichkolben 13 kann ferner eine genau definierte Gegenkraft zur Verfügung stellen, die den Ausweichkörper 11 axial zur Längsachse A abstützt.
An der Trägerplatte 4a ist ein Stauchzylinder 20 befestigt, in welchem ein Stauchkolben 21 geführt ist, wodurch ein Stauchantrieb für den Stauchkörper 19 gebildet ist, welcher die Stauchkraft FS oder eine Vorschubkraft auf das Werkstück 2 in einer Richtung entlang der Vorschubrichtung V ausübt. Der Stauchkörper 19 nimmt den Endabschnitt 27 des Werkstücks 2 auf und stützt sich die Stauchkraft FS übertragend mit seiner Abstützfläche 190 gegen die freie Stützfläche 2a am Werkstück 2 und ist insbesondere als Schubstange oder Schubhülse ausgebildet.
Die gegenüberliegende Stützfläche 2b am anderen Endabschnitt 22 des Werkstücks 2 ist hier nun vorzugsweise nicht direkt an dem Ausweichkörper 11 abgestützt wie in 1 bis 4, sondern liegt an einer Abstützfläche 140, vorzugsweise an einem freien Ende, eines Distanzstücks (oder: Abstandhalters) 14 an, welches sich mit dem Ausweichkörper 11 axial mitbewegt und sich vorzugsweise an seinem anderen Ende an einer Abstützfläche 114 am Ausweichkörper 11 axial abstützt und dort in der Regel auch mittels Befestigungsmitteln wie z. B. Schrauben befestigt ist.
Die Abstützfläche 140 des Distanzstücks 14 ist dabei im Allgemeinen größer als die anstoßende Stützfläche 2b des Werkstücks 2 gewählt, um auch gewisse Höhenunterschiede in der zur Längsachse A orthogonalen Richtung oder Abweichungen von der Zentrierung bei der Lage des Werkstücks 2 kompensieren zu können.
Es können Distanzstücke 14 unterschiedlicher axialer Länge vorgesehen sein oder das Distanzstück 14 in seiner axialen Länge angepasst werden zur Anpassung oder Festlegung der axialen Lage des Formänderungsbereichs 28 des Werkstücks 2 in seinem axialen Abstand zu dem Ende oder der Stützfläche 2b, ohne dass die Elektrodeneinheit 5 und 6 verschoben werden muss. Über die axiale Länge des Distanzstückes 14 kann also der vorgegebene während des Stauchvorganges konstant bleibende Abstand a_const der ersten Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 5 und 6 von der ersten Abstützfläche 190 eingestellt oder verändert werden.
Der Ausweichkörper 11 weist insbesondere eine Ausnehmung oder einen Freiraum 111 auf, in der oder dem das Distanzstück 14 versenkt ist oder aufgenommen ist und an dessen Boden die Abstützfläche 114 ausgebildet ist, insbesondere in einer kleinen Vertiefung. Dabei kann der Ausweichkörper 11 wie dargestellt beispielsweise eine seitlich offene U-Form haben oder auch eine geschlossene Form, beispielsweise Topfform.
Das Distanzstück 14 und/oder der Ausweichkörper 11 sind in allen Ausführungsformen vorzugsweise wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet, beispielsweise einem Glasfaserwerkstoff. Durch die elektrische Isolierung des Distanzstücks und/oder des Ausweichkörpers fließt der zur Erwärmung bereitgestellte Strom im Wesentlichen ausschließlich durch den Formänderungsbereich 28 und die Elektrodeneinheiten und kein nennenswerter Verluststrom durch das Distanzstück 14 und den Ausweichkörper 11.
Die erste Elektrodeneinheit ist vorzugsweise wie folgt ausgebildet und angeordnet:
An Trägerflächen 23 und 24 des Ausweichkörpers 11 sind jeweils über einen Trägerschlitten 26 die erste Klemmelektrode 5 mit einer Klemmbacke 15 und gegenüberliegend die zweite Klemmelektrode 6 mit einer Klemmbacke 16 mittels zugeordneter, vorzugsweise hydraulischer oder als Hydraulikkolbenantriebe ausgebildeter, Aktuatoren (oder: Antriebe) 25 und 29 lateral oder radial zur Längsachse A zueinander verschieblich angeordnet und gehalten. Die von den Klemmelektroden 5 und 6 über deren an den Kontaktflächen 2c bzw. 2d am Werkstück 2 anliegende Klemmbacken 15 und 16 ausgeübte Klemmdruck oder Kontaktdruck oder die Andrückkraft, mit dem oder der das Werkstück 2 in elektrischem Kontakt gehalten wird, kann über die Aktuatoren oder Antriebe genau eingestellt werden. Außerdem sind die Klemmbacken 15 und 16 vorzugsweise der Außenfläche des Werkstücks 2 wenigstens annähernd angepasst.
Es ist ferner wenigstens dem Aktuator 25 für die Klemmelektrode 5 eine mechanische Arretiereinheit (oder: Verriegelungseinheit) 125 zugeordnet, vorzugsweise eine Kolbenbremse für den Hydraulikkolben, die diesen und damit die zugehörige Klemmelektrode 5 bzw. 6 in der radialen Lage arretiert. Dadurch können die erste Klemmelektrode 5 und/oder die zweite Klemmelektrode 6 an die zugehörigen Kontaktflächen 2c herangefahren und unter vergleichsweise niedrigem Klemm- oder Kontaktdruck in Anlage mit dem Werkstück 2 gebracht werden und dann mittels der mechanischen Arretiereinheit in dieser radialen Lage festgestellt oder arretiert oder verriegelt werden, so dass sie radial nicht mehr nach außen driften oder sich bewegen könne. Dadurch wird bei einem hydraulischen Druckausgleich oder gleichem Druck in den hydraulischen Aktuatoren 25 und 29 der ansonsten mögliche gemeinsame Drift beider Klemmelektroden 5 und 6 in der gleichen radialen Richtung verhindert und die zentrierte Lage des Werkstücks 2 in dem ersten Klemmelektrodenpaar 5 und 6 bleibt erhalten. Eine besondere Nutzung dieser Funktion wird noch näher erläutert.
Axial zur Längsachse A oder in Vorschubrichtung V ist das erste Klemmelektrodenpaar 5 und 6, also die erste Elektrodeneinheit, über die Trägerschlitten 26 und die Trägerflächen 23 und 24 in einem festen axialen Abstand, der in 5 bis 9 nicht eingezeichnet ist, aber dem Abstand a_const in Vorschubrichtung V in 1 bis 4 entspricht, zur Abstützfläche 140 am Distanzstück 14 gehalten, bewegt sich also mit dem Ausweichkörper 11 und dem Distanzstück 14 bei deren Ausweichbewegung mit der gleichen Geschwindigkeit v₂ in Vorschubrichtung V mit. Dadurch gibt es während des Stauchvorganges praktisch keine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrodeneinheit und dem Werkstück 2 und die Klemmbacken 15 und 16 werden durch das, häufig abrasive, Werkstück 2 dadurch nicht oder nur wenig abgetragen oder verschlissen.
Die zweite Elektrodeneinheit mit den Klemmelektroden 7 und 8 ist vorzugsweise wie folgt ausgebildet und angeordnet:
Ein Trägerelement 10 ist in einer axialen Position festlegbar oder fixierbar an dem Gestell 3 axial zur Achse A und in und entgegengesetzt zu der Vorschubrichtung V verschieblich über Führungen an den Gestellsäulen 3a und 3b gelagert.
An dem Trägerelement 10 ist eine Zentrierspanneinheit befestigt, die auf oder an einem erstes Zentrierspannelement 9a die dritte Klemmelektrode 7 mit deren Klemmbacke 17 und auf oder an einem zweiten Zentrierspannelement 9b eine vierte Klemmelektrode 8 mit deren Klemmbacke 18 trägt oder hält. Die Zentrierspannelemente 9a und 9b sind linear gegeneinander geführt und über druckbeaufschlagte Kolben angetrieben sowie über ein Kulissengetriebe, ein Getriebe aus Rechts- und Linkslaufspindel oder eine andere Gleichlaufeinrichtung symmetrisch bezüglich einer Zentrierachse aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar. Ein Beispiel für eine solche Zentrierspanneinheit ergibt sich aus DE 198 45 576 C2 oder auch aus DE 20 2004 004 636 U1 , deren Offenbarung jeweils in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen wird. Dadurch wird das Werkstück 2 zwischen den Klemmbacken 17 und 18 der Klemmelektroden 7 und 8 zentriert, so dass die Werkstückachse oder Längsachse A des Werkstücks 2 mit der Zentrierachse der Zentrierspanneinheit zusammenfällt, und die Klemm- oder Anpresskräfte F₇ und F₈ der beiden Klemmelektroden 7 und 8 und deren Klemmbacken 17 und 18 werden symmetrisch oder gleich im Betrag und einander entgegengesetzt in der Richtung aufeinander zu eingestellt werden und können deshalb bei einer derart gleichmäßigen Einspannung auch vergleichsweise hoch gewählt werden.
Bei dem Stauchvorgang rutscht nun aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Stauchkörper 19 und dem Ausweichkörper 11, z. B. von dem Abstand a(t0) auf den Abstand a(t1) in 1 bis 4, und der still stehenden zweiten Elektrodeneinheit das Werkstück 2 auf den Klemmbacken 17 und 18 und erzeugt aufgrund der Reibung einen Verschleiß oder Abrieb oder einen Abschliff, der auf der unteren Klemmbacke 18 aufgrund des Eigengewichts des Werkstückes 2 in der Regel größer ist als auf der oberen Klemmbacke 17 und bei abrasiven Materialien der Werkstücke 2 ziemlich groß werden kann.
Die Zentriereinheit 9a und 9b gleicht diesen Verschleiß aus und führt beide Klemmbacken 17 und 18 dem Werkstück 2 symmetrisch oder zentriert nach. Allerdings verschiebt sich die Werkstückachse A gegenüber der Zentrierachse der Zentriereinheit 9a und 9b dann nach unten, da normalerweise der Abrieb an der unteren Klemmbacke 18 höher ist als an der oberen Klemmbacke 17 und es entsteht ein Problem der nicht mehr exakten Koaxialität der zweiten Elektrodeneinheit mit der ersten Elektrodeneinheit und damit des dazwischen liegenden Formänderungsbereiches 28 des Werkstücks 2.
Um die Koaxialität auch bei asymmetrischem Verschleiß der Klemmbacken 17 und 18 beizubehalten, ist gemäß der Erfindung vorzugsweise ein besonderes Einspann- oder Montierverfahren für die beiden Elektrodeneinheiten vorgesehen.
Zu Beginn eines Stauchvorgangs wird das Werkstück 2 beispielsweise durch eine nicht dargestellte Handhabungseinrichtung in die Staucheinheit der Stauchvorrichtung 1 eingelegt, beispielsweise indem es in dem Stauchkörper 19 eingesteckt wird und auf die geöffneten unteren Klemmelektroden aufgelegt wird. Die Klemmelektrodenpaare 5 und 6 und 7 und 8 sind dabei noch geöffnet, also nicht beidseitig oder vollständig in Kontakt mit dem Werkstück 2. Dann wird mit geringer Stauchkraft das Werkstück 2 gegen die Anlagefläche 26 gedrückt. Das Werkstück 2 kann aber auch zwischen Stauchkörper 19 und Ausweichkörper 11 eingespannt oder eingelegt werden ohne jeglichen Kontakt der Klemmelektroden.
In einem nun folgenden Verfahrensschritt wird zunächst die zweite Elektrodeneinheit mittels der Zentriereinheit mit dem Werkstück 2 in Kontakt gebracht. Dabei bewegen sich die dritte und die vierte Klemmbacke 17 und 18 mit ihren zugeordneten Zentrierspannelementen 9a und 9b symmetrisch auf das Werkstück 2 zu und klemmen dieses mit zentrierter Werkstückachse A an den Kontaktflächen 2d in leitendem Kontakt mit der gewünschten (hohen) symmetrischen Klemmkraft F₇ = F₈ ein. Bei symmetrischem Verschleiß der Klemmbacken 17 und 18 aufgrund des Abriebs durch Werkstücke in zuvor erfolgten Stauchvorgängen fällt die Längsachse A des Werkstücks 2 mit der Zentrierachse der Zentrierspanneinheit zusammen (Koaxialität), was dann völlig unproblematisch ist. Bei asymmetrischem Verschleiß der Klemmbacken 17 und 18, nämlich stärkerem Verschleiß an der unteren Klemmbacke 18, rutscht die Längsachse A dort gegenüber der Zentrierachse leicht um die Differenz des Verschleißes nach unten, es kommt also zu einer Abweichung von der Koaxialität.
Um im Formänderungsbereich 28 dennoch wieder eine Koaxialität bei der ersten Elektrodeneinheit mit der nunmehr verschobenen Werkstückachse A im Bereich der zweiten Elektrodeneinheit und deren Zentrierspanneinheit zu erreichen wird nun im nächsten Verfahrensschritt die erste Elektrodeneinheit wie folgt in Kontakt mit dem Werkstück 2 gebracht:
Es wird zunächst nur eine Klemmelektrode, deren Aktuator mit einer Arretiereinheit versehen ist, beispielsweise die erste Klemmelektrode 5, mittels des, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators 25 radial zur Längsachse A, hier von oben, gegen die Kontaktfläche 2c des Werkstücks 2 gefahren. Dabei wird ein nur ganz leichter oder geringer Anpressdruck eingestellt, um das Werkstück 2 nicht radial zu verschieben oder zu verbiegen, sondern in der von der zweiten Elektrodeneinheit 7 und 8 und deren Zentriereinheit 9a und 9b eingestellten vertikalen Lage seiner Längsachse A zu belassen. In dieser Position mit einseitig anliegender Klemmelektrode 5 wird nun der zugehörige Aktuator 25 mittels seiner Arretiereinheit mechanisch arretiert, so dass sich die Klemmbacke 15 der Klemmelektrode 5 nicht mehr radial nach außen bewegen kann.
Nun wird mittels des zugehörigen, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators 29 die zweite Klemmelektrode 6 der ersten Elektrodeneinheit mit ihrer Klemmbacke 16 gegen die zugehörige Kontaktfläche 2c des Werkstücks 2 gefahren, und zwar mit einer deutlich höheren Klemmkraft oder Anpresskraft F₆ (oder – druck), so dass das Werkstück 2 zwischen zweiter Klemmbacke 16 und mechanisch verriegelter erster Klemmbacke 15 festgeklemmt wird und sich F₅ = F₆ einstellt. Durch die mechanische Verriegelung oder Arretierung der nur leicht an das Werkstück 2 angefahrenen ersten Klemmelektrode 5 in Zusammenspiel mit der erst danach hydraulisch bewegten und gespannten zweiten Klemmelektrode 6 sind die erste und zweite Klemmelektrode 5, 6 hydraulisch entkoppelt. Eine radiale Verschiebung der ersten und zweiten Klemmelektrode 5 und 6 aufgrund von Ausgleichsvorgängen im hydraulischen System ist daher vermieden. Das Werkstück 2 wird somit von der ersten und zweiten Klemmelektrode 5, 6 zuverlässig in der beim Einspannen eingestellten (vertikalen) Lage seiner Längsachse A gehalten. Wenn auch der Aktuator 29 der zweiten Klemmelektrode 6 eine Arretiereinheit hat, kann eventuell auch die zweite Klemmelektrode 6 nach dem hydraulischen Klemmen noch mechanisch arretiert werden, um die Hydraulik zu entlasten.
Durch diese vorteilhafte Abfolge von Schritten wird die Lage der Längsachse A des Werkstücks 2 in dem Formänderungsbereich 28 nicht nachteilig durch einen stärkeren Verschleiß der Klemmbacke 18 beeinflusst, sondern die Konzentrizität oder Koaxialität ist gewahrt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung wird der Formänderungsbereich 28 in einem mittleren oder inneren Bereich des Werkstücks 2 in einem Abstand von einem Ende 22 und der Stützfläche 2b und auch dem Ende 27 und der Stützfläche 2a durch Freiformen ohne Gesenk mittels Elektrostauchen erzeugt. Man kann also von einem Mittenfreistauchen sprechen.
Es sind auch vielfältige Abwandlungen zu den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen möglich.
Die Stauchvorrichtung 1 ist in den Ausführungsbeispielen hier horizontale Stauchvorrichtung, d. h. mit horizontaler Vorschubrichtung V und Längsachse A, ausgebildet. Gleichwohl kann die Stauchvorrichtung unter entsprechenden geringfügigen konstruktiven Änderungen auch vertikal oder schräg mit vertikaler oder schräger Vorschubrichtung V ausgebildet sein.
Der freitragende Bereich der Werkstücke 2 zwischen Stauchkörper z. B. 19 und der am nächsten liegenden Elektrodeneinheit 7 und 8 kann auch durch nicht dargestellte Zwischenabstützungen und/oder -führungen abgestützt und/oder geführt werden.
Die Klemmelektroden 5 bis 8 und/oder deren Klemmbacken 15 bis 18 werden vorteilhafterweise gekühlt, beispielsweise mittels durchgeleitetem Kühlwasser.
Bezugszeichenliste

1: Stauchvorrichtung
2: Werkstück
2a: erste Stützfläche am Werkstück
2b: zweite Stützfläche am Werkstück
2c: erste Kontaktfläche am Werkstück
2d: zweite Kontaktfläche am Werkstück
3: Gestell
3a, 3b: Gestellsäulen
4a, 4b: Trägerplatten
5: erste Klemmelektrode
6: zweite Klemmelektrode
7: dritte Klemmelektrode
8: vierte Klemmelektrode
9a: erstes Zentrierspannelement
9b: zweites Zentrierspannelement
10: Trägerelement
11: Ausweichkörper
12: Ausweichzylinder
13: Ausweichkolben
14: Distanzstück
15: erste Klemmbacke
16: zweite Klemmbacke
17: dritte Klemmbacke
18: vierte Klemmbacke
19: Stauchkörper
20: Antriebszylinder
21: Antriebskolben
22: erster Endabschnitt
23, 24: Trägerfläche
25: Aktuator
26: Trägerschlitten
27: zweiter Endabschnitt
28: Formänderungsbereich
29: Aktuator
30: Führungselemente
40: Stelleinrichtung
110: Abstützfläche
111: Freiraum
125: Arretiereinheit
140: Abstützfläche
190: Abstützfläche
A: Werkstückachse
I: Heizstrom
V: Vorschubrichtung
L(t0), L(t1): Abstand bzw. Länge des Werkstücks
a(t0), a(t1): axialer Abstand der Elektroden
a_const: konstanter, axialer Abstand
b₀, b₁: erste, zweite radiale Breite
ΔL1, ΔL2: Vorschubweg
v1, v2: Geschwindigkeit
F₅, F₆, F₇, F₈: Klemmkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 960946 [0005]
DE 916721 [0006]
DE 1240369 [0007]
DE 19845576 C2 [0071]
DE 202004004636 U1 [0071]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Produktinformationsschrift „Elektro-Stauchmaschinen” der Fa. Lasco Umformtechnik GmbH, veröffentlicht im Oktober 2012 [0002]

Claims

Stauchvorrichtung (1) zum Elektrostauchen von, vorzugsweise länglichen oder stangenförmigen, Werkstücken (2), umfassend a) eine Staucheinheit (14, 19, 20, 21) zum Aufbringen einer Stauchkraft (FS) auf ein Werkstück (2) zwischen einer ersten Stützfläche (2a) und einer von der ersten Stützfläche abgewandten zweiten Stützfläche (2b) des Werkstücks während eines Stauchvorgangs und b) eine erste Elektrodeneinheit (5, 6) und eine zweite Elektrodeneinheit (7, 8) zum elektrischen Aufheizen eines zwischen ihnen liegenden Formänderungsbereichs (28) des Werkstückes auf wenigstens eine Umformtemperatur während des Stauchvorganges, c) wobei die Staucheinheit einen in zumindest einer Vorschubrichtung (V) axial bewegbaren oder bewegten Stauchkörper (19) mit wenigstens einer ersten Abstützfläche (190) für die erste Stützfläche (2a) am Werkstück und einen wenigstens in der Vorschubrichtung (V) bewegbaren oder bewegten Ausweichkörper (11, 14) mit wenigstens einer zweiten Abstützfläche (110) für die zweite Stützfläche (2b) am Werkstück sowie eine Stelleinrichtung (4), die mit dem Stauchkörper (19) und dem Ausweichkörper (11) in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, zum Stellen eines axialen Abstandes in Vorschubrichtung zwischen den Abstützflächen (190, 110) von Stauchkörper und Ausweichkörper, aufweist, d) wobei die erste Elektrodeneinheit (5, 6) von der zweiten Abstützfläche (190) um einen zumindest während des Stauchvorganges konstanten axialen Abstand (a_const) axial entgegengesetzt zur Vorschubrichtung beabstandet angeordnet ist und mit dem Ausweichkörper der Staucheinheit mitbewegbar ist und e) wobei die zweite Elektrodeneinheit (7, 8) zwischen der ersten Elektrodeneinheit (5, 6) und der ersten Abstützfläche (110) am Stauchkörper angeordnet ist und zumindest während des Stauchvorganges an einer festen axialen Position angeordnet ist.
Stauchvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die erste Elektrodeneinheit wenigstens zwei Klemmelektroden (5 und 6) zum Klemmen an ersten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder vertikal gegenüberliegenden, Kontaktflächen (2c) des Werkstücks (2) in elektrisch leitendem Kontakt und die zweite Elektrodeneinheit wenigstens zwei Klemmelektroden (7 und 8) zum Klemmen an zweiten, vorzugsweise zwei einander diametral und/oder horizontal gegenüberliegenden, Kontaktflächen (2d) des Werkstücks (2) in elektrisch leitendem Kontakt aufweist und ferner vorzugsweise eine elektrische Versorgungseinheit zum Anlegen eines elektrischen Heizstromes (I), vorzugsweise eines niederfrequenten elektrischen Wechselstromes, zwischen den Klemmelektroden (5 und 6, 7 und 8) der beiden Elektrodeneinheiten vorgesehen ist, der über die Kontaktflächen (2c und 2d) durch den Formänderungsbereich (28) des Werkstücks (2) fließt und diesen resistiv auf die Umformtemperatur erwärmt, wobei vorzugsweise die Stelleinrichtung (4) zum Freiformen des Werkstücks im Formänderungsbereich den axialen Abstand zwischen den Abstützflächen (190, 110) von Stauchkörper und Ausweichkörper in Abhängigkeit vom Heizstrom stellt.
Stauchvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der die erste Elektrodeneinheit für die erste Klemmelektrode (5) und für die zweite Klemmelektrode (6), insbesondere für den Klemmelektroden zugeordnete Trägerschlitten, jeweils zugeordnete, insbesondere als Hydraulikkolbenantriebe ausgebildete, Aktuatoren (25 und 29) zur lateral oder radial zur Vorschubrichtung gerichteten Bewegung der Klemmelektroden (5 und 6) und zum Einstellen des über deren Klemmflächen auf das Werkstück ausgeübten Klemmdruckes vorgesehen sind, wobei wenigstens einem Aktuator (25), insbesondere einem Aktuator für eine obere Klemmelektrode (5), eine mechanische Arretiereinheit (125) zugeordnet ist zum Arretieren des Aktuators und damit der zugehörige Klemmelektrode (5 bzw. 6) in seiner bzw. ihrer radialen Lage.
Stauchvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweiten Elektrodeneinheit eine Zentrierspanneinheit zugeordnet ist, die zwei Zentrierspannelemente (9a, 9b) aufweist, die über eine Gleichlaufeinrichtung symmetrisch bezüglich einer Zentrierachse, die vorzugsweise während des Stauchvorgangs durch das Werkstück verläuft, aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind und vorzugsweise linear gegeneinander geführt und/oder über druckbeaufschlagte Kolben angetrieben sind, wobei auf oder an einem ersten der beiden Zentrierspannelemente (9a) eine Klemmelektrode (7) der zweiten Elektrodeneinheit und auf oder an einem zweiten der beiden Zentrierspannelemente (9b) die oder eine andere Klemmelektrode (8) der zweiten Elektrodeneinheit befestigt oder gehalten ist.
Stauchvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ausweichkörper (11) ein Distanzstück (14) aufweist, an dem die wenigstens eine zweite Abstützfläche (110) ausgebildet ist, wobei über die Wahl der axialen Länge des Distanzstückes oder den Einsatz von Distanzstücken unterschiedlicher axialer Länge der konstante axiale Abstand (a_const) der ersten Elektrodeneinheit (5, 6) von der zweiten Abstützfläche (190) einstellbar ist.
Stauchvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ausweichkörper (11) und/oder das Distanzstück (14) zumindest teilweise elektrisch isolierend ausgebildet ist und dadurch bei anliegendem Heizstrom von keinem nennenswerten elektrischen Strom durchflossen ist.
Verfahren zum Elektrostauchen von, vorzugsweise länglichen oder stangenförmigen, Werkstücken (2), bei dem während eines Stauchvorganges a) ein Werkstück zwischen einer ersten Stützfläche (2a) und einer von der ersten Stützfläche (2a) abgewandten zweiten Stützfläche (2b) mit einer Stauchkraft (FS) beaufschlagt wird und b) ein zwischen den beiden Stützflächen (2a, 2b) liegender und von beiden Stützflächen (2a, 2b) beabstandeter Formänderungsbereich (28) des Werkstückes mittels eines durch den Formänderungsbereich (28) fließenden elektrischen Heizstromes, der insbesondere mittels einer ersten Elektrodeneinheit (5, 6) und einer zweiten Elektrodeneinheit (7, 8), die an jeweiligen von den Stützflächen beabstandeten Kontaktflächen (2c, 2d) des Werkstücks (2) in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Werkstück (2) gebracht sind, eingebracht wird, auf wenigstens eine Umformtemperatur erwärmt wird und durch die gleichzeitige Beaufschlagung mit der Stauchkraft in einem Freiformprozess, d. h. ohne Gesenk, gestaucht wird und durch Nachfließen oder Nachführen von Material des Werkstückes in seiner Form oder seinem Volumen oder seinem Querschnitt vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem insbesondere eine Stauchvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird, wobei a) ein oder der Stauchkörper (19) einer oder der Staucheinheit mit seiner wenigstens einer ersten Abstützfläche (190) in Anschlag zur ersten Stützfläche (2a) am Werkstück gebracht wird und ein oder der Ausweichkörper (11, 14) mit seiner wenigstens einen zweiten Abstützfläche (110) in Anschlag zur zweiten Stützfläche (2b) am Werkstück gebracht wird sowie b) mittels einer oder der Stelleinrichtung (4) der axiale Abstand in Vorschubrichtung zwischen den Abstützflächen (190, 110) von Stauchkörper und dem Ausweichkörper während des Stauchvorganges verkleinert wird, insbesondere indem der Stauchkörper in der Vorschubrichtung mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt wird als der Ausweichkörper, wodurch die Stauchkraft generiert oder aufrechterhalten wird, c) wobei die erste Elektrodeneinheit (5, 6) von der zweiten Abstützfläche (190) um einen vorgegebenen während des Stauchvorganges konstanten axialen Abstand (a_const) axial entgegengesetzt zur Vorschubrichtung beabstandet gehalten ist und mit dem Ausweichkörper mitbewegt wird und d) wobei die zweite Elektrodeneinheit (7, 8) zwischen der ersten Elektrodeneinheit (5, 6) und der ersten Abstützfläche (110) am Stauchkörper angeordnet wird und zumindest während des Stauchvorganges an einer festen axialen Position angeordnet wird, wobei das Werkstück beim Stauchvorgang durch die zweite Elektrodeneinheit, insbesondere deren Klemmelektroden, über einen bestimmten axialen Bereich durchrutscht oder durchgleitet unter Beaufschlagung mit einer bestimmten Rutsch- oder Gleit- und/oder Haftreibung, e) wobei insbesondere die Gestalt des Formänderungsbereiches (28) wird durch die Umformtemperatur oder durch den Heizstrom zwischen den Elektrodeneinheiten durch den Formänderungsbereich einerseits und durch die zeitlichen Geschwindigkeitsverläufe der Geschwindigkeiten von Stauchkörper und Ausweichkörper andererseits gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem a) in einem ersten Verfahrensschritt zu Beginn eines Stauchvorgangs das Werkstück (2) eingelegt wird, insbesondere zwischen den Abstützflächen (190 und 110 oder 190 und 140) eingespannt wird, wobei die beiden Elektrodeneinheiten noch nicht in, insbesondere vollständigem, Kontakt mit dem Werkstück (2) sind, b) in einem zweiten Verfahrensschritt die zweite Elektrodeneinheit mittels der Zentriereinheit mit dem Werkstück (2) in, insbesondere vollständigen, Kontakt gebracht wird, wobei sich wenigstens zwei Klemmelektroden jeder Elektrodeneinheit, insbesondere mittels zugeordneter Zentrierspannelemente (9a und 9b), symmetrisch bezüglich einer Zentrierachse oder eines Zentrierpunktes auf das Werkstück (2) zu bewegen und an den Kontaktflächen in leitendem Kontakt mit einer vorgegebenen Klemmkraft einklemmen, wobei bei asymmetrischem Verschleiß der Klemmelektroden, insbesondere aufgrund des Abriebs durch durchrutschende Werkstücke in zuvor erfolgten Stauchvorgängen, eine, insbesondere parallel oder axial zur Vorschubrichtung verlaufende oder angeordnete, Werkstückachse (L) des Werkstücks (2) zur Zentrierachse um einen von dem Verschleiß abhängigen Betrag verschoben wird, c) in einem dritten Verfahrensschritt die erste Elektrodeneinheit in, insbesondere vollständigen, Kontakt mit dem Werkstück (2) gebracht wird,
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem im dritten Verfahrensschritt c1) zunächst nur eine oder die erste Klemmelektrode (5) der ersten Elektrodeneinheit, insbesondere mittels eines oder des, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators und/oder insbesondere radial zur Werkstückachse (A), gegen eine Kontaktfläche (2c) des Werkstücks (2) gefahren wird und/oder unter einem geringen Anlagedruck angelegt wird, so dass das Werkstück (2) im Wesentlichen nicht radial verschoben oder verbogen wird, sondern im Wesentlichen in der im zweiten Verfahrensschritt zentrierten Lage seiner Werkstückachse (A) verbleibt, und dann in dieser Position arretiert wird, insbesondere mittels einer oder der Arretiereinheit des Aktuators (25) und indem c2) eine oder die zweite Klemmelektrode (6) der ersten Elektrodeneinheit, insbesondere mittels eines oder des zugehörigen, vorzugsweise hydraulischen, Aktuators (29), gegen eine oder die zugehörige Kontaktfläche (2c) des Werkstücks 2 gefahren wird, und dann das Werkstück (2) mit einem höheren Klemmdruck zwischen den beiden Klemmelektroden (5, 6) festgeklemmt wird.