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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug
zur Herstellung eines umgeformten Endes eines Rohres, wobei mit
dem umgeformten Ende, einem Verbindungsstutzen und einer Überwurfmutter
eine Rohrverbindung herstellbar ist, wobei das Formwerkzeug mindestens
zwei Spannbacken zur Festlegung eines Rohres an dessen äußerer Mantelfläche und
einen Stauchkörper
aufweist, in den das umzuformende Ende des Rohres vor dem Umformvorgang
einsetzbar ist und der einen Boden sowie einen in axiale Richtung
vorstehenden und das Rohr umschließenden Kragen besitzt, wobei
beim Umformvorgang über
den Boden des Stauchkörpers
in axiale Richtung eine Kraft in die zugeordnete Stirnfläche des Rohres
einseitbar und dadurch das Ende des Rohres radial nach außen verformbar
ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines umgeformten Endes eines Rohres, wobei das Verfahren mit Hilfe
eines Formwerkzeugs der zuvor genannten Art ausführbar ist.
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In der
DE 195 11 063 A1 ist eine
Rohrverbindung offenbart, die einen Verbindungsstutzen mit einer
Kegelbohrung, eine Mutter mit einer Kegelfläche und ein Rohr mit einem
angeformten Endabschnitt umfasst. Der Endabschnitt weist im Wege
der Stauchung hergestellte Spannflächen auf, die eine Orientierung
besitzen wie die zugehörige
Kegelbohrung im Verbindungsstutzen bzw. die Kegelfläche in der Überwurfmutter.
Bei der Herstellung des Endabschnitts wird das Rohr einer Verformung
mit einem bestimmten Stauchweg unterworfen. In der
DE 195 11 063 A1 ist der
umgeformte Endabschnitt des Rohres entweder so geformt, dass er
ein achsparalleles Endstück,
das dem kegeligen Abschnitt vorgelagert ist, aufweist oder ein derartiges
achsparalleles Endstück
nicht besitzt und sich ausgehend von der Stirnfläche des Rohres unmittelbar
eine kegelige Spannfläche
anschließt.
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Ein zur Herstellung eines solchen
Endabschnitts geeignetes Formwerkzeug, das ebenfalls in der
DE 195 11 063 A1 offenbart
ist, besitzt entweder einen Stauchkörper in Topfform mit einem ebenen
Bodenteil oder aber ist zusätzlich
mit einem Innendorn oder Stützzapfen
versehen, der in das Innere des umzuformenden Endabschnitts eindringt. Die
letztgenannte Variante ist insbesondere dann nur mit Einschränkungen
verwendbar, wenn mit demselben Formwerkzeug Rohre mit zwar gleichem
Außendurchmesser,
jedoch mit unterschiedlichen Wandstärken, d.h. auch unterschiedlich
im Innendurchmesser, umgeformt werden sollen.
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Des Weiteren ist aus der
DE 195 20 099 A1 noch
eine weitere Rohrverbindung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung
bekannt. Das umgeformte Rohr weist in diesem Fall lediglich eine
kegelige Spannfläche
auf, die mit der korrespondierenden Kegelfläche in der Überwurfmutter zusammenwirkt.
Im Bereich des Verbindungsstutzens weist das umgeformte Rohr einen
achsparallelen Endabschnitt auf. In einer Kammer, die von dem Innenkonus
des Verbindungsstutzens im achsparallelen Endstück des Rohres und einer hieran
angrenzenden radialen Spannfläche
begrenzt wird, ist eine Weichdichtung angeordnet, die im Betriebszustand
der Rohrverbindung darin verpresst ist.
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Ein in der
DE 195 20 099 A1 gezeigtes
Formwerkzeug besitzt einen topfförmigen
Stauchkörper mit
einem zylindrischen Innenraum, in den der Endabschnitt des umzuformenden
Rohres eingesetzt wird. Der Innendurchmesser eines Kragens des Stauchkörpers ist
an den Außendurchmesser
des umzuformenden Rohres angepasst.
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Außerdem ist aus der
DE 101 08 309 C1 eine weitere
Rohrverbindung mit einem umgeformten Rohr bekannt, bei der das umgeformte
Rohr keinen achsparallelen zylindrischen Endabschnitt aufweist. Dabei
ist zwischen der Stirnfläche
des umgeformten Rohres und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des
Verschraubungskörpers
eine Dichtung angeordnet, die zumindest zum Teil aus einem verformbaren Kunststoffmaterial
besteht. Um eine zuverlässige
Abdichtung zu erzielen, wird in diesem Fall das Kunststoffmaterial
in Folge einer axialen Komprimierung der Dichtung in entgegengesetzte
Richtung zur Bewegungsrichtung des Rohres bei seiner Komprimierung
in eine Kammer gepresst, die von dem Innenkonus des Verschraubungskörpers, einer
an die erste kegelige Spannfläche
des umgeformten Rohres angrenzende Dichtfläche und einer Stirnfläche des
aus metallischen Material bestehenden Teils der Dichtung begrenzt
wird.
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Wird das umgeformte Ende des Rohres
gemäß der
DE 101 08 309 C1 mit
Hilfe eines Formwerkzeugs hergestellt, wie es prinzipiell beispielsweise
in der vorgenannten
DE
195 11 063 A1 offenbart ist, so treten insbesondere bei
Rohren mit kleinem Durchmesser und kleiner Wandstärke Unregelmäßigkeiten bei
der Ausformung im Bereich der vorderen kegeligen Mantelfläche auf.
Diese Unregelmäßigkeiten äußern sich
insbesondere in Form von Wellen, die eine flächige Anlage der kegeligen
Spannfläche
an dem zugeordneten Innenkonus des Verbindungsstutzens unmöglich machen
und daher die Dichtigkeit und Festigkeit der Rohrverbindung insgesamt
in Frage stellen können.
Auch treten aufgrund der fehlenden großflächigen Anlage verstärkt Setzerscheinungen bei
einer dynamischen Belastung der Rohrverbindung auf, die wiederum
zu einer Lockerung und potenziellen Undichtigkeit führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Formwerkzeug zur Herstellung eines umgeformten Endes eines Rohres
und ein diesbezügliches
Verfahren vorzuschlagen, mit dem bei sämtlichen üblichen Kombinationen von Rohraußendurchmessern und
Wandstärken
Unregelmäßigkeiten
in der Ausformung der vorderen insbesondere kegeligen Spannfläche vermieden
werden.
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Ausgehend von einem Formwerkzeug
der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Boden des Stauchkörpers
so geformt ist, dass im Zustand eines Kontakts zwischen dem Boden
und der Stirnfläche des
Rohres aber vor dem Umformvorgang zwischen der Stirnfläche des
Rohres und dem Boden von der äußeren Umlaufkante
der Stirnfläche
aus gesehen ein Freiraum vorhanden ist.
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Ein derartiger Freiraum ermöglicht es,
dass beim Umformvorgang Material im äußeren Bereich der Rohrwandung
entgegen der Stauchungsrichtung zurückfließen kann. Ein solcher Rückfluss
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Endabschnitt des umzuformenden
Rohres unmittelbar ausgehend von der Stirnfläche oder zumindest nicht weit
davon entfernt kegelförmig
oder ähnlich
geformt nach außen verdrängt werden
soll. Im Falle eines ebenen Bodens im Bereich der gesamten Stirnfläche des
umgeformten Rohres – wie
dies aus der
DE 195
11 063 A1 bekannt ist – kommt
es im Bereich der äußeren Mantelfläche des
kegelförmigen
Abschnitts des Rohres tendenziell zu den vorbeschriebenen Aufwerfungen,
da im Gegensatz zu dem Bereich in der Nähe der inneren Umlaufkante
der Stirnfläche
im Außenbereich tendenziell
eine Materialstauchung stattfindet. Eine derartige Stauchung wird
durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Freiraum sehr wirkungsvoll vermieden, wodurch die Qualität der umgeformten Endabschnitte,
die mit dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug
hergestellt sind, besonders hochwertig ist.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs
kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn sich der Innendurchmesser
des Kragens von dem Boden weg kontinuierlich vergrößert und
insbesondere wenn die innere Mantelfläche des Kragens in einem an
den Boden angrenzenden Bereich konisch geformt ist. Eine derartige
Form eines umgeformten Rohres eignet sich im Übrigen besonders gut, um mit
einem genormten 24°-Konus
in einem Aufnahmestutzen zu korrespondieren.
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Die Erfindung weiter ausgestaltend
ist vorgesehen, dass die Spannbacken einen dem Stauchkörper zugewandten
Abschnitt aufweisen, in dem die innere Mantelfläche einen Durchmesser besitzt,
der größer ist
als der Außendurchmesser
des umzuformenden Rohres ist. Auf diese Weise kann die Teilungsebene
zwischen dem Stauchkörper
und den Spannbacken im Bereich des größten Durchmessers des umgeformten
Rohres angeordnet sein.
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Zu bevorzugen ist in diesem Zusammenhang
des Weiteren, dass der Übergang
von dem Kragen des Stauchkörpers
zu den Spannbacken im Bereich der inneren Mantelflächen der
vorgenannten Teile stetig ist und keinen Knick besitzt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird des Weiteren
durch ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Endes eines
Rohres gelöst,
wobei mit dem umgeformten Ende, einem Verbindungsstutzen und einer Überwurfmutter
eine Rohrverbindung herstellbar ist und das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
- a) Einspannen des Rohres
mittels mindestens zwei an dessen äußerer Mantelfläche angreifender
Spannbacken,
- b) Einleiten einer in axiale Richtung des Rohres wirkenden Kraft
in eine Stirnfläche
des Rohres mittels eines Stauchkörpers,
- c) Stauchen des Endes des Rohres, wodurch die äußere Mantelfläche in einem
an die Stirnfläche angrenzenden
Bereich radial nach außen
geformt wird.
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Erfindungsgemäß wird bei einem derartigen Verfahren
zumindest ein äußerer Teilbereich
der Stirnfläche
des Rohres entgegen der Stauchrichtung auf das Stauchwerkzeug zu
verformt. Hierdurch können
auf sehr einfache Weise Unregelmäßigkeiten
in der Form des Außenmantels
des Rohres, insbesondere wellenförmige
Aufwerfungen, die die Dichtigkeit beeinträchtigen und unerwünschte Setzerscheinungen
verursachen können,
vermieden werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass die Stirnfläche
des Rohres ausgehend von ihrer äußeren Umlaufkante
entgegen der Stauchrichtung verformt wird. Ein Rückfließen des Rohres in diesem an
die Umlaufkante angrenzenden Bereich ist insbesondere dann erforderlich,
wenn sich bei dem umgeformten Rohr unmittelbar an dessen Stirnfläche eine
kegelige Fläche,
insbesondere eine Spannfläche
mit Dichtfunktion, anschließt.
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Schließlich ist noch vorgesehen,
dass das Rohrende auch im Bereich der Spannbacken radial nach außen verformt
wird. Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht es, die Teilungsebene
zwischen Stauchkörper
und Spannbacken in den Bereich des umgeformten Rohres zu legen,
in dem der Außendurchmesser
maximal ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele
von Formwerkzeugen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Halbschnitt durch ein aus Stauchkörper und Spannbacke bestehendes
Formwerkzeug sowie einen Endabschnitt eines Rohres im gefügten Zustand
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2a einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1 im Bereich der
Stirnfläche
des Rohres
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2b bis 2c wie 2a, jedoch mit alternativen Konturen
des Bodens des Stauchkörpers
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3 wie 1, jedoch im umgeformten
Zustand des Rohres und
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4a bis 4c eine vergrößerte Darstellung von
Ausschnitten des umgeformten Rohrendes unter Verwendung der in den 2a bis 2c gezeigten Bodenkonturen
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1 zeigt
im Halbschnitt einen Endabschnitt eines zylindrischen Rohres 1,
das mit einem vorderen Abschnitt 2 in einen topfförmigen Stauchkörper 3 eingesetzt
wurde. Der Stauchkörper 3 bildet
zusammen mit zwei halbschalenförmigen
radial beweglichen Spannbacken 4 ein Formwerkzeug zur umformtechnischen
Bearbeitung des Endabschnitts des Rohres 1. Stauchkörper 3 und Spannbacken 4 werden
zusammen als Formwerkzeug im Sinne dieser Patentanmeldung verstanden. Es
ist nach der Erfindung grundsätzlich
aber auch möglich,
dass die Ausformung allein im Stauchkörper stattfindet und die Fixierung
des Rohres auf andere Weise als durch Spannbacken erfolgt.
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2a verdeutlicht,
dass das Rohr 1 so weit in den Stauchkörper 3 eingeschoben
ist, dass es mit der inneren Umlaufkante 6 seiner Stirnfläche 5 an den
Boden 7 anstößt. Der
Kontakt zwischen Rohr 1 und Boden 7 erfolgt ungefähr an einer
Stelle, in der die Kontur des Bodens 7 einen Knick aufweist:
Während
der zentrale Bereich 8 des Bodens 7 senkrecht zu
der Längsachse 9 des
Rohres 1 ausgerichtet ist, verläuft ein sich radial nach außen darin
anschließender
Bereich 10 derart geneigt dazu, dass zwischen der Stirnfläche 5 und
dem Boden 7 ein Freiraum 11 verbleibt. Dieser
Freiraum 11 ist im Querschnitt keilförmig mit einem abgerundeten
Ende, in dem der Bereich 10 des Bodens 7 in die
innere Mantelfläche
12 eines
Kragens 13 des Stauchkörpers 3 übergeht,
wobei der Kragen 13 den eingeschobenen Abschnitt 2 des
Rohres 1 umschließt.
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Ausgehend von der in 1 gezeigten gefügten Stellung werden Stauchkörper 3 und
Spannbacken 4 in Richtung der Pfeile 14 um den
Weg 15 relativ aufeinander zu bewegt (in der Regel bewegt sich
der Stauchkörper
auf das stillstehende Rohr), wobei die Wandung 16 des Rohres 1 radial
nach außen
verformt wird.
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In 3 ist
in einem gespiegelten Halbschnitt der Endzustand mit vollständig umgeformten Rohr 1 dargestellt,
wobei zugeordnete Stirnflächen der
Spannbacken 4 und des Stauchkörpers 3 in der Ebene 17 unmittelbar
aneinander anliegen. Das umgeformte Rohr 1 hat sich in
diesem Zustand zum einen vollständig
an die Innenkontur des Kragens 13, aber auch an eine Innenkontur 18 der
Spannbacken 4 angepasst. Der Übergang zwischen der inneren Mantelfläche des
Kragens 13 und der Spannbacken 4 läuft stetig
und ohne Knick.
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Andererseits hat sich das umgeformte
Rohr
1 – wie
insbesondere aus
4a ersichtlich
ist – mit seiner
Stirnfläche
5 an
die zugeordnete geneigt verlaufende Fläche des Bodens
7 angepasst.
Die Stirnfläche
5 verläuft somit
nicht mehr in radiale Richtung wie vor dem Umformvorgang, sondern
unter einem Winkel α von
90° zu der
inneren Mantelfläche
19 des Rohres
1 wie
dies auch vor dem Umformvorgang der Fall war. Der 90°-Winkel α wird deshalb
erzielt, weil auch der Winkel β zwischen
dem Boden
7 im Bereich
10 und der angrenzenden
inneren Mantelfläche
12 des
Kragens
13 90° beträgt. Die
Umformung des Rohres im Bereich der Stirnfläche kann also vereinfacht als
Drehung um die innere Umlaufkante
6, die als eine Art Gelenk
dient, erklärt
werden. Da hierbei in Achsrichtung des Rohres auf eine Stauchung
verzichtet werden kann, kommt es bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahren
nicht zu den im Stand der Technik gefürchteten wellenförmigen Aufwerfungen
im Bereich der äußeren Mantelfläche des
Rohrendes. Der Übergang
zwischen dem Bereich
10 des Bodens
7 und der inneren
Mantelfläche
12 des
Kragens
13 erfolgt mittels einer Rundung, die es ermöglicht,
das umgeformte Rohr
1 für
eine Rohrverbindung gemäß der
DE 101 08 309 C1 zu
verwenden. Im Bereich der Rundung kann eine Weichdichtung in Kontakt
mit dem Innenkonus eines Verbindungsstutzens treten und dort aufgrund
der definierten Oberflächenqualität eine zuverlässige Dichtwirkung
entfalten.
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Die 2b und 4b zeigen eine alternative Ausführung eines
Stauchkörpers 3', bei dem ein Übergang 20 zwischen
einem zentralen Bereich 8' des
Bodens 7' ungefähr in der
Mitte der Stirnfläche 5 des
Rohres 1 angeordnet ist. Hieraus ergibt sich – bei identischer
Neigung des sich anschließenden
Bereich 10' des
Bodens 7' (der
zwischen Stirnfläche 5 und
Boden 7 eingeschlossene Winkel beträgt ca. 12°) – ein kleinerer, weil weiter
außen
liegender Freiraum 11',
als dies bei dem Stauchkörper 3 gemäß 1 und 2a der Fall ist.
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Die 2b und 4b können jedoch auch denselben
Stauchkörper 3 wie
in den 2a und 4a darstellen, in den lediglich
ein Rohr 1 eingesetzt ist, das zwar den gleichen Außendurchmesser
jedoch eine ungefähr
verdoppelte Wandstärke 21 besitzt.
Sofern der erfindungsgemäße Stauchkörper 3, 3' keinen inneren
Stützzapfen
bzw. Dorn für
das umzuformende Rohr 1 aufweist, wird die Möglichkeit
geschaffen, mit ein und demselben Stauchkörper 3, 3' Rohre mit zwar
gleichen Außendurchmesser,
jedoch mit unterschiedlicher Wandstärke 21 umzuformen,
wobei es sich herausgestellt hat, dass es nicht nötig ist,
dass sich der Freiraum 11, 11' bei allen Wandstärken über die
gesamte Stirnfläche 5 des
Rohres 1 erstreckt. Insbesondere bei Rohren mit größerer Wandstärke treten
die bei Rohren mit kleinerer Wandstärke gefürchteten Unregelmäßigkeiten
nicht mehr auf, so dass die Schaffung eines mit der Wandstärke 21 des Rohres 1 in
seiner Größe ansteigenden
Freiraums 11, 11' nicht
angebracht ist.
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Der Vorteil der in 2b dargestellten Anordnung liegt des
Weiteren darin, dass die bei Rohren 1 mit größerer Wandstärke 21 erforderlichen
größeren Umformkräfte vom
Beginn der Umformung an über
eine Fläche
in die Stirnseite des Rohres 1 eingeleitet werden können, wohingegen
die Krafteinleitung bei der Anordnung gemäß 2a zunächst lediglich linienförmig im
Bereich der inneren Umlaufkante 6 erfolgt.
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In den 2c und 4c ist schließlich noch eine
weitere Ausführungsform
eines Stauchkörpers 3'' mit einem Boden 7'' mit abweichender Kontur im Randbereich
dargestellt. Während
die innere Mantelfläche 12 des
Kragens 13 weiterhin unter einem Winkel von 12° zu der Längsachse
des Rohres 1 verläuft, um
eine Spannfläche
für einen
24°-Konus
eines Verbindungsstutzens zu erzeugen, ist der Bereich 10'' des Bodens 7'' S-förmig gewölbt. Die Stirnfläche 5 des
Rohres 1 kommt im Bereich eines Wulstes 22 zur Anlage
an den Boden 7'', bevor der
eigentliche Umformvorgang beginnt. Wiederum befindet sich ein Freiraum 11'' zwischen der Stirnfläche 5 und
dem Boden 7'', wobei dieser
Freiraum 11'' im Bereich
der äußeren Umlaufkante 23 des
Rohres 1 beginnt und sich zu dem Kontaktbereich an dem
Wulst 22 erstreckt. In 4c ist
die Form des Endabschnitts des Rohres 1 nach vollendeter
Umformung dargestellt.