DE19829577A1

DE19829577A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik

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Publication number: DE19829577A1
Application number: DE1998129577
Authority: DE
Inventors: Carsten Binder; Markus Binder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-07-03
Also published as: DE19829577B4; AU4903799A; WO2000001500A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei denen mehrere formende Arbeitsstufen in mindestens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, bei denen von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Rohren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird, sollen dahingehend verbessert werden, daß geomatrisch komplizierte Teile hergestellt werden können, ohne daß die alles entscheidende Bruchdehnung überschritten wird und daß trotz dieser Möglichkeit mit tragbaren Innendrücken gearbeitet werden kann. DOLLAR A Dazu wird vorgesehen, daß durch mindestens eine vorverformte Arbeitsstufe das jeweilige Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsstelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Endverformungsstufe beibehalten werden, und die Vorrichtung von mindestens einer IHU-Form (2) und einem Stempel-Matrize-Werkzeug (4) gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei der mehrere formende Arbeitsstufen in minde stens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, wobei von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Rohren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird.

Die an sich schon seit geraumer Zeit bekannte Innen-Hochdruck-Umformtechnik (IHU) ist in der jüngeren Vergangenheit derart weiterentwickelt worden, daß sie in der Fertigungstechnik, insbesondere in der Serienfertigung einen hohen Stellenwert genießt, vor allem deshalb, weil sie bei hoher Qualität der Erzeugnisse eine wirt schaftliche Fertigung gewährleistet. Es versteht sich, daß die Bruchdehnung der verwendeten Materialien der Größe und der Form der herzustellenden Teile gewisse Grenzen setzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Bruchdehnung des zu verar beitenden Materials nicht überschritten werden darf bzw. ein Sicherheitsabstand zu der vorgegebenen Bruchdehnung verbleiben muß. Auf Grund der bisher gewonne nen Erkenntnisse kann nicht bestritten werden, daß geometrisch kompliziert geform te Teile, insbesondere der größeren Art nicht gefertigt werden können, wobei enge Radien einen deutlichen Hemmschuh darstellen. Ein weiterer Hemmschuh besteht darin, daß komplizierte Formen nicht nur außerordentlich hohe Innendrücke, sondern auch hohe Zuhaltekräfte erfordern, die nur bedingt und wenn, nur mit einem erhebli chen wirtschaftlichen Aufwand erzeugt werden können. Hier sei noch erwähnt, daß insbesondere bei hohen Innendrücken die Gefahr der Überschreitung der Bruchdeh nung des zu verarbeitenden Materials erheblich ansteigt, also mit Ausschuß gerech net werden muß.

Auf Grund dieser Erkenntnisse wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, daß Wege gewiesen werden, wie geometrisch komplizierte Teile hergestellt werden kön nen, ohne daß die alles entscheidende Bruchdehnung überschritten wird und daß trotz dieser Möglichkeit mit tragbaren Innendrücken gearbeitet werden kann. Außer dem soll gemäß der Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung angegeben werden, die für die wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnen den Teiles des Hauptanspruches gelöst. Durch diese Maßnahmen wird ein Teil der bisherigen Endverformung in einen vorverformenden Bereich verlegt, also in einen Bereich, wo es keine erhebliche und für die Bruchdehnung gefährliche Verformung gibt, die noch dazu - gemessen an bisherigen Enddrücken - mit realisierbaren Drüc ken erreichbar ist, so daß nicht nur die Gefahr der Überschreitung der Bruchdehnung beseitigt ist, sondern auch die hohen Kosten für hohe Drücke und Zuhaltekräfte vermieden sind. Für die Praxis bedeutet dies, daß in vorteilhaftem Gegensatz zu frü heren bzw. älteren Verfahren geometrisch komplizierte Teile gefertigt werden kön nen, die allen Ansprüchen gewachsen sind. Das Vorformen in einer vorgezogenen Arbeitsstufe im Sinne der Umfangsmaße in einer Endverformungsstufe ist mit der heutigen Computertechnik ohne Schwierigkeiten zu vollziehen, da mit einem Compu ter das z. B zeichnerisch festgehaltene Fertigteil gewissermaßen scheibchenweise zerlegbar ist und die ermittelten Umfänge auf die Vorverformung übertragen werden können.

Die in der Vorverformungsphase als vorteilhaft erkannte Einstellung auf die Um fangsmaße des fertigen Teiles läßt sich mit der Lehre nach Anspruch 2 oder mit der Lehre des Anspruches 3 erhalten. Zum Expandieren sei noch bemerkt, daß das Ex pandieren als Endstufe einer Verformung bei komplizierten Teilen besonders gefähr lich ist, da dort das sowieso bis an die Grenze der Bruchdehnung belastete Material mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit zerstört wird und Ausschuß unver meidbar erscheint. Es versteht sich, daß dies im besonderen Maße für große bzw. komplizierte Teile gilt, die mehrfache Richtungsänderungen des Materialflusses not wendig machen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus An spruch 4, der den Ablauf eines Verformungsvorganges um reißt. Dabei ist es von we sentlicher Bedeutung, daß bei der Endverformung mit verhältnismäßig niedrigen Drücken gearbeitet werden kann, die das verformte Teil von innen her so stützen, daß das geformte Material sich nicht nach innen verformt oder gar Falten bildet. Die aufgezeigte Reihenfolge der einzelnen Verformungen wird durch die Form des her zustellenden Teiles bestimmt. Bestimmt wird auch von dem herzustellenden Teil, ob man mit oder ohne Innendruck arbeitet. Ähnliches gilt auch für das im Anspruch 2 erwähnte axiale Stauchen.

Zwei Varianten der Verformung nach Anspruch 4 ergeben sich aus den Ansprüchen 5 und 6, was wieder durch die Form des herzustellenden Teiles bestimmt wird.

Weitere Arbeitsstufen in verschiedener Reihenfolge ergeben sich aus den Ansprü chen 7 bis 11, wobei die unterschiedlich aufeinanderfolgenden Arbeitsstufen eben falls von der Gestaltung des herzustellenden Teiles bestimmt wird.

Im Anspruch 12 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An sprüchen 1 bis 11 angegeben, wobei Reihenfolge und Anzahl der Formen wiederum von der Gestalt des herzustellenden Teiles abhängig sind. Mit Sicherheit ist aber da von auszugehen, daß für die Endverformungsstufe ein von heute üblichen IHU- Formen abweichendes Werkzeug erforderlich ist, in welchem die Endform ohne weitere Materialbelastung und Umfangsänderung bei niedrigem, d. h. lediglich stüt zendem Innendruck hergestellt wird.

Für die eine oder andere Gestalt der zu fertigenden Teile kann es erforderlich sein, mindestens eine Biegemaschine zum Einsatz zu bringen, wie dies Anspruch 13 aus sagt.

In den Ansprüchen 14, 15 und 16 ist ein vorteilhaftes Stempel-Matrize-Werkzeug angegeben, mit dem sich ein entsprechend vorgeformter Teil bzw. ein vorgeformtes Rohr beliebigen Querschnitts ohne hohe Innendrücke in die Endform bringen läßt.

Der Wirtschaftlichkeit wegen wird ein Stempel-Matrize-Werkzeug wie in Anspruch 17 angegeben ausgebildet. Dabei kommt der besonderen Ausbildung der Matrize be sondere Bedeutung zu, da diese die Möglichkeit bietet, mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand an Paßstücken und entsprechenden Stempeln zahlreiche Quer schnitte in die Endform zu bringen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, d. h., anhand einer Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein abgelängtes Rohr runden Querschnitts;

Fig. 2 das gleiche Rohr, jedoch teilweise vorverformt;

Fig. 3 ein weiter verformtes Rohr in Oberansicht;

Fig. 4 eine IHU-Form in geöffnetem Zustand;

Fig. 5 eine schematisiert dargestellte Biegemaschine bekannter Bauart;

Fig. 6 eine Matrize für die Endverformung in Oberansicht;

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 6;

Fig. 8 den Aufbau eines nur schematisch dargestellten Endverformungswerk zeuges bei noch nicht eingefahrenem Stempel;

Fig. 9 das gleiche Werkzeug bei eingefahrenem Stempel;

Fig. 10 eine gegenüber den Fig. 8 und 9 geänderte Ausführung bei noch nicht eingefahrenem Stempel und

Fig. 11 das gleiche Werkzeug bei eingefahrenem Stempel.

Die Fig. 1 bis 3 bzw. die Fig. 2 und 3 lassen die Vorverformungsstufen eines Rohres 1 erkennen, wobei es wichtig ist, daß die Umfangsmaße an jeder Querschnittsstelle gegenüber den Umfangsmaßen des Endproduktes zumindest annähernd gleich blei ben.

Zur Durchführung der Verformung gemäß den Fig. 2 und 3 sind eine IHU-Form 2, eine Biegemaschine 3 und ein Stempel-Matrize-Werkzeug 4 erforderlich, wozu auf die Fig. 4 bis 7 verwiesen wird. Die IHU-Form ist in üblicher Weise aufgebaut und sie nimmt das Rohr 1 nach Fig. 1 auf. Über Hochdruckanschlüsse 5 wird das Rohr 1 expandiert so daß es in der Mitte der IHU-Form an die Formfläche 6 zur Anlage kommt. Dabei erfolgt zum Wandstärkenerhalt gleichzeitig ein axiales Stauchen mit Hilfe entsprechender Kolben 7; diese sind über Leitungen 8 an eine Druckquelle an geschlossen.

Um das vorgeformte Rohr 1 mit der mittigen Aufweitung (vgl. 6) in die Form gemäß Fig. 3 zu bringen, ist ein Biegen mit Hilfe der Biegemaschine 3 erforderlich. Damit beim Biegen das vorgeformte Rohr 1 mit seiner Weitung 9 nicht deformiert wird, ist es in vielen Fällen erforderlich, den Hohlraum 10 des vorgeformten Rohres 1 mit ei nem Medium, z. B. mit Wasser zu füllen, sofern der Hohlraum nicht schon befüllt war. In dem Hohlraum 10 soll ein ausreichender, von innen stützender Druck vor handen sein.

Das gefüllte oder ungefüllte, nunmehr hufeisenförmig gestaltete Rohr 1 wird in eine Ausfräsung 11 der Matrize 12 eingelegt; das vorgeformte Rohr 1 wird über Leitungen 13 mit Ventilen 14 an eine Druckquelle angeschlossen, um einen stützenden Innen druck aufbauen zu können. Es versteht sich, daß das Rohr 1 bei 15 entsprechend abzudichten ist.

In die Ausfräsung 11 der Matrize 12 greift ein Stempel 16 ein, der bei entsprechen dem Druck die Rundquerschnitte in die endgültige Querschnittsform bringt, ohne daß eine Veränderung der Umfangsmaße gegenüber den Umfangsmaßen der Rundquer schnitte eintritt; dies auch dann, wenn der Stempel 16 - wie aus Fig. 7 ersichtlich - an seiner Unterseite 17 besonders gestaltet ist. Unterseite 17 und Boden sowie Seiten wände der Ausfräsung 11 ergeben bei eingefahrenem Stempel 16 die dargestellte Querschnittsform. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das an Hand der Fig. 4 bis 7 näher erläutert ist, lassen sich Eckbereiche und/oder kleine Radien ausbilden, ohne daß die Bruchdehnung des jeweiligen Materials überschritten wird. Dabei ist herauszustellen, daß - im Extremfall - bei einer derartigen Verformung der jeweilige Außenradius etwa der Materialstärke des Bleches od. dgl. entsprechen kann. Derar tiges ist mit bekannten Verfahren unerreichbar.

Es versteht sich, daß die jeweils herzustellenden Teile die Anordnung und die Auf einanderfolge von Formen 2 (vgl. auch 4) bestimmen. Wichtig bleibt immer, daß die anfänglichen Umfangsmaße eines vorgeformten Rohres 1 mit den Umfangsmaßen des fertigen Teiles zumindest annähernd übereinstimmen.

Bei dem Werkzeug 4 gemäß den Fig. 8 und 9 ist in einer Matrize 12 eine Wanne 17 ausgebildet, die eine Vertiefung 18 aufweist. In die Wanne 17 sind Paßstücke 19 eingesetzt, zwischen die der Stempel 16 eingreift. Die Paßstücke 19 (nur die seitli chen dargestellt) begrenzen zusammen mit dem Stempel 16 einen Hohlraum 20. Wenn das aus einem Rohrquerschnitt 1 herzustellende Fertigteil gegenüber dem Stempel 16 bis 21 Hinterschneidungen aufweist, ist es erforderlich, die Paßstücke wie dargestellt auszubilden. Während aus Fig. 8 ein lediglich vorverformter Teil 1 dargestellt ist, zeigt die Fig. 9 den Teil 1 in der Endform, bei eingefahrenem Stempel 16. Um die gestrichelt angedeuteten Ausbeulungen 22 nach innen zu vermeiden, ist der Hohlraum 10 mit einem stützenden Medium zu füllen.

Das Werkzeug 4 der Fig. 10 und 11 unterscheidet sich nicht in der Wirkung, sondern lediglich im Aufbau von der Bauart gemäß den Fig. 8 und 9. Die Matrize 12 besteht hier aus zwei Teilen 23, 24, wobei der Teil 24 in der Wanne 17 eine Einbauwanne 25 aufweist. Die Paßstücke 26 sind mit den Paßstücken 19 vergleichbar, ebenso der Stempel 16. Auch hier ist das vorgeformte Rohr 1 mit einem Medium befüllt, das eine innere Stütze nach allen Seiten darstellt. Die Fig. 8 bis 11 zeigen deutlich, wie z. B. enge Radien ausgeformt werden können, wenn man nach der Lehre des erfin dungsgemäßen Verfahrens vorgeht.

Claims

1 Verfahren zur Herstellung von Teilen mit Hilfe der Innen-Hochdruck-Umformtechnik, bei der mehrere formende Arbeitsstufen in mindestens einem Formwerkzeug durchlaufen werden, bei denen von gewalzten, gezogenen oder geschweißten Roh ren mit beliebig geformten Rohrquerschnitten ausgegangen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß durch mindestens eine vorverformende Arbeitsstufe das jeweilige Rohr derart geformt wird, daß an jeder Querschnittsstelle des vorgeformten Rohres die bei der Vorverformung erzielten Umfangsmaße in der Endverformungsstufe bei behalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rohr beliebi gen Querschnitts in einer formenden Stufe der Vorverformung die bei der Endver formung beizubehaltenden Querschnittsumfänge durch Expandieren mit oder ohne axiales Stauchen erhalten werden und in einer Endverformungsstufe das vorbe handelte Rohr in einem Stempel-Matrize-Werkzeug bei einem von innen stützenden Druck auf die Endform gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rohr beliebi gen Querschnitts in einer formenden Stufe der Vorverformung die bei der Endver formung beizubehaltenden Querschnittsumfänge durch Querschnittsverengung er halten werden und in einer Endverformungsstufe das vorbehandelte Rohr in einem Stempel-Matrize-Werkzeug bei einem von innen stützenden Druck auf die Endform gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein gerades Rohr beliebigen Querschnitts auf die Querschnittsumfänge der End form gebracht wird,
- dieses so vorbehandelte Rohr mit oder ohne Innendruck durch Quetschen weiter verformt wird und
- dieses weiterverformte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform ge bracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Quetschen ein Biegen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Quetschen ein Biegen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein gerades Rohr beliebigen Querschnitts auf die Querschnittsumfänge der End form gebracht wird,
- dieses weiterverformte Rohr anschließend gebogen wird und
- dieses so behandelte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform ge gebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Rohr beliebigen Querschnitts gebogen wird,
- dieses Rohr auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird und
- das so behandelte Rohr bei stützendem Innendruck auf die Endform gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Endformung ein Quetschen des Rohres mit oder ohne Innendruck durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein gerades Rohr auf die Querschnittsumfänge der Endform gebracht wird,
- das so vorgeformte Rohr in jedem einzelnen Querschnitt auf Endform gebracht wird und
- dieses so vorgeformte Rohr durch Biegen in die endgültige Form gebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Formen des Rohres auf Querschnittsumfänge der Endform ein Quetschen mit oder ohne Innendruck durchgeführt wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung von mindestens einer IHU-Form (2) und einem Stempel-Matrize-Werkzeug (4) gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Biegemaschine (3) den IHU-Formen (2) beigegeben ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (12) des Stempel-Matrize-Werkzeuges (4) von einem Block gebildet ist, der eine Ausfrä sung (11) aufweist, in die ein Stempel (16) eingreift, der eingefahren zusammen mit den seitlichen Teilen und dem Boden der Ausfräsung (11) die Endform des zu fertigenden Teiles umreißt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Aus fräsung (11) mit Schiebern (vgl. 15) abgedichtet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfräsung (11) über mindestens eine Leitung (13) mit Ventilen (14) an eine Druckwelle ange schlossen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (12) des Stempel-Matrize-Werkzeuges (4) als Wanne (17) ausgebildet ist, wobei in die Wanne (17) Paßstücke (19) einsetzbar sind, die mit den einander zugekehrten Flächen, mit den Flächen einer Vertiefung (18) der Wanne (17, vgl. auch 25) und mit dem Stempel (16) die Endform des zu fertigenden Teiles umreißt.