DE19905849C1 - Vorrichtung zum Umformen eines Hohlprofils od. dgl. Werkstückes auf dem Wege dem Innenhochdruck-Umformens - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkammerprofil ausgebildeten Hohlprofils o. dgl. Werkstückes mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel übergriffenen Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdrucks ist am Umfang eines in den Profilraum des Hohlprofils oder Werkstückes einführbaren und dichtenden Stempelteils aus begrenzt flexiblem Kunststoff wenigstens ein Zusatzelement aus einem Werkstoff hoher Festigkeit vorgesehen, das an dem begrenzt flexiblen Stempelteil außenseitig einen Bereich bildet, der beim Überführen in die Betriebsstellung an das Hohlprofil angelegt wird. Das bevorzugt trogartige Stempelteil weist eine Bodenplatte mit daran angeformt umlaufender Wandung auf; letztere begrenzt einen Innenraum.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkammerprofil ausgebildeten Hohlprofils od. dgl. Werkstückes mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel übergriffenen Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdrucks.

Beim sog. Innenhochdruck-Umformen (IHU-Verfahren) wird das Hohlprofil durch Innendruck ausgedehnt. Dazu werden die Stirnseiten des Hohlprofils abgedichtet, um in dessen Innenraum den Hochdruck zu halten. Bisherige Dichtverfahren bedienen sich konisch geformter Metalldichtstempel - ins­ besondere Stahlstempel -, die in das Hohlprofil eingefah­ ren werden. Zusätzlich kann das Hohlprofil mittels wenig­ stens eines am Werkstück stirnseitig angreifenden Stempels nachgeschoben werden; es wird so möglich, das Werkstück aufzuweiten oder zu stauchen.

Bei einem Doppel- oder Mehrkammerprofil dehnen sich dessen Stege zwischen den einzelnen Kammern während des erwähnten Nachschiebens anders aus als die übrigen Wandungen bzw. die Außenkonturen, und der Stempel vermag die ungleichmäßige Verformung nicht auszugleichen. Wählt man die Toleranzen des Profilsquerschnitts zu groß (< 0,1 mm), ist ein Abdichten auf konventionelle Art gar nicht möglich. Dies hat zu Versuchen geführt, Dichtstempel aus Kunststoff, vor allem aus Polyurethan, einzusetzen.

Die üblichen Dichtstempel verschleißen schnell durch die beim Einfahren in das Hohlprofil auftretende Reibung. Weicht die Form des Profils zu stark von den Sollwerten ab, muss das Dichtelement noch weiter einfahren, was den Ver­ schleiß erhöht; andernfalls kann es die gewünschte Dicht­ wirkung gar nicht mehr entfalten.

Die DE 37 24 904 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum abschnittsweisen Aufweiten eines Rohres mit gleichzeitigem Festlegen von Nocken zur Bildung einer Nockenwelle. In das Rohr wird ein Aufweitedorn mit axial verlaufenden Kanälen für das Zuführen von Druckfluid und das Abführen von Leckfluid eingefahren, auf den wechselweise Distanzhülsen und Dichtungselemente aufgeschoben sind; letztere weisen jeweils einen - aus einem härteren widerstandsfähigen Werkstoff gefertigten - ringförmigen Stützteil auf sowie einen zu einem Druck beaufschlagbaren Ringraum gerichteten ringförmigen Spreizteil aus gummielastischem Material. Jeweils zwei Dichtungselemente dieser Art begrenzen zwischen sich den erwähnten Ringraum, in dessen Bereich das Druckfluid einströmt und eine Aufweitung des die zwischen dem Dichtungspaar vorgesehene Distanzhülse umgebenden Abschnittes der Rohrwand vorzunehmen vermag.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, sowohl das Abdichtvermögen zwischen der Paarung aus Hohlprofil und Stempel als auch die Stempel- Standzeiten zu verbessern; die Erhöhung der Standzeit im Serienbetrieb soll zu einer Minderung der Betriebskosten führen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des Patentanspruches 1; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß liegt am Umfang eines in den Profilraum einführbaren und dichtenden Stempelteils aus begrenzt ela­ stischem Kunststoff - bevorzugt aus Polyurethan - wenig­ stens ein Zusatzelement aus einem Werkstoff - gegenüber jenem Kunststoff - höherer Festigkeit an, insbesondere aus Stahl. Dieses Zusatzelement umfängt jenes begrenzt ela­ stische Stempelteil außenseitig in einem Bereich, der beim Überführen in die Betriebsstellung dem Hohlprofil anliegt; dank dieser Maßgabe wird ein Verschleiß des Kunststoffes durch Reibung verhindert.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein Stempelteil aus Kunst­ stoff mit einer Bodenplatte sowie daran umlaufend angeform­ ter Wandung, welch letztere einen etwa quaderförmigen In­ nenraum begrenzt. Diese Wandung weist eine zum Innenraum des Stempelteils in einem Winkel geneigte Außenfläche auf. Diese Neigung entsteht dadurch, dass die Wandung einen sich zu ihrer Endkante verjüngenden Querschnitt anbietet. Dieses trogartige Dichtelement wird am Stahlstempel festgelegt, um in den Profilhohlraum eintauchen zu können.

Um Reibungsschäden an der - mit dem Hohlprofil in Berüh­ rung kommenden - Wandung des PU-Stempelteils zu reduzie­ ren, besteht das Zusatzelement erfindungsgemäß aus einem verschleißfesten metallischen Werkstoff, der bevorzugt großteils Eisen sowie nicht mehr als etwa 2% Kohlenstoff enthält.

In einer günstigen Ausgestaltung ist das Zusatzelement leistenartig und wird in eine entsprechende Nuteinformung in der Außenfläche des Stempelteils als Verschleißleiste eingefügt. Diese Verschleißleiste soll von dünnem Quer­ schnitt und begrenzt biegbar sein, kann sich also an die angrenzende Innenfläche des Hohlprofils anschmiegen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Ver­ schleißleiste - wie auch die sie aufnehmende Nut des Stem­ pelteils - einen sich in Richtung auf dessen Innenraum hin verjüngenden Querschnitt auf.

In einer weiteren Ausführungsform soll die Verschleißleiste einen die Wandung - und damit den Innenraum - des Stem­ pelteils umgebenden Rahmen bilden, der seinerseits in einer entsprechenden Oberflächeneinformung der Stempelwandung la­ gert.

Als weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verschleiß­ schutzes ist ein wulstartiger Rand eines dem Stempelteil zugeordneten Stahlaufsatzes anzusehen. Dabei soll der wulstartige Rand des plattenartigen Stahlaufsatzes eine einwärts geneigte Außenfläche anbieten, die mit der geneig­ ten Außenfläche des zugeordneten Stempelteils etwa fluch­ tet; dieser Rand bildet also eine in die Außenfläche der Wandung des PU-Stempelteils einragende Verschleißkante.

Während des Kalibrierens des Hohlprofils passt sich das elastische Stempelteil als Dichtung der sich beim Umformen ändernden Gestalt dieses Hohlprofils bzw. des Werkstücks an. Wird der Druck im Werkstück wieder abgebaut, geht der elastische Dichtungsstempel in seine Ausgangslage zurück und kann wieder reibungslos aus dem Werkstück ausgefahren werden.

Mit der Erfindung werden u. a. die folgenden Vorteile er­ reicht:

• - der durch das Einfahren des Stempels bedingte Verschleiß am Kunststoffkörper wird vermindert;
• - Toleranzen des Hohlprofils oder Werkstücks werden durch den Dichtstempel kompensiert;
• - es wird keine zusätzliche Dichtkraft erforderlich;
• - es erfolgt ein Ausgleich ungleichmäßiger Ausdehnung des Hohlprofils während des Kalibriervorgangs durch den Dichtstempel.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein Hohlprofil mit stirnseitig angesetztem Stempel;

Fig. 2: die Draufsicht auf einen Teil eines Stempels;

Fig. 3: eine Seitenansicht zu Fig. 2;

Fig. 4: den Querschnitt durch Fig. 2 nach deren Linie IV-IV;

Fig. 5: einen Ausschnitt aus Fig. 4 in Zuord­ nung zu einem Hohlprofil;

Fig. 6: eine Schrägsicht auf eine andere Ausge­ staltung des Teiles der Fig. 2 bis 4;

Fig. 7: einen Teilschnitt durch Fig. 6 in einer der Fig. 5 entsprechenden Betriebsstel­ lung.

Beim sogenannten Innenhochdruck-Umformen (IHU) wird ein als Hohlprofil ausgebildetes Werkstück (10) durch einen in seinem Profilraum 12 herr­ schenden Innendruck aufgeweitet. Zusätzlich kann das Hohl­ profil 10 mittels eines an seinem Stirnrand 14 angreifenden Stempels 15, 16, 16 _a axial nachgeschoben werden.

Um den Hochdruck im Profilraum 12 zu halten, muss in Fig. 1 der Stirnrand 14 des Hohlprofils 10 am Stempel 15 abgedichtet anschlagen. Hierzu ist der aus Metall geformte Stempel 16 mit einer radialen Schulterfläche 18 eines Außendurchmessers d versehen, an welche ein zylindrischer Stempelabsatz 20 eines kleineren Durchmessers d₁ an­ schließt. Die Höhe der zur Längsachse A des Stempels 15 pa­ rallelen Umfangsfläche 22 des zylindrischen Stempelabsatzes 20 ist in Fig. 1 mit h bezeichnet.

Am Übergang der ringförmigen Schulterfläche 18 zum Stempel­ absatz 20 ist in dessen Umfangsfläche 22 eine Ringnut 24 zur Aufnahme eines Dichtungsringes 26 eingeformt. Unter diesem verläuft eine in das Tiefste der Ringnut 24 eingeformte sowie zum Querschnitt der Ringnut 24 beidseits abgestufte Innennut 25 geringerer Breite. Von dieser gehen Radialkanäle 28 aus, die andernends bei 29 in eine zentrische Ausnehmung 30 des Stempels 15 münden. Der Querschnitt dieser an sich zylindrischen Ausnehmung 30 verjüngt sich nahe der Stempelinnenfläche 17 in einem Bereich 32 konisch zu einem Axial- oder Ausflusskanal 34 hin.

Zur Durchführung einer Verformung des Hohlprofils 10 fährt der Stempel 15 mit seinem Dichtungsring 26 reibungslos in dieses Werkstück bzw. Hohlprofil 10 ein; dabei entsteht zwischen letzterem sowie der radialen Schulterfläche 18 des Stempels 15 eine zu dichtende Fuge 36. Durch die Radialka­ näle 28 strömt aus der zentrischen Ausnehmung 30 in die be­ schriebene - als Zuführraum dienende - abgestufte Innen­ nut 25 ein Wirkmedium und weitet den Dichtungsring 26 auf; dieser legt sich vor jene Fuge 36, und das Wirkmedium strömt über die Innenkante der Ringnut 24 - oder über Bohrungen - in den Profilraum 12 ein.

Während des Kalibrierens des Hohlprofils 10 passt sich der Dichtungsring 26 aus elastischem Werkstoff der sich än­ dernden Gestalt des Hohlprofiles 10 an. Wird in diesem der Druck abgebaut, geht der Dichtungsring 26 in seine Aus­ gangslage in die Ringnut 24 zurück, so dass er mit dem Stempel 15 wieder reibungslos aus dem Profilraum 12 ausgefahren zu werden vermag.

Der Stempel 16 in den Ausführungen gemäß Fig. 2 bis Fig. 5 ist mit einem trogartigen Stempelteil 40 aus Polyurethan - statt jenes zylindrischen Stempelabsatzes 20 - ausge­ stattet, das abdichtend in den Profilraum 12 des Hohlpro­ fils 10 eintaucht.

Das PU-Stempelteil 40 besteht aus einer rechteckigen Sockelplatte 42 der beispielsweisen Dicke a von 18 mm, einer Länge f von 98 mm und einer Breite g von 48 mm, deren Außenflächen 43 - nach einem vertikalen Abschnitt der Höhe i von 8 mm - in einem Winkel w von hier 5° einwärts ge­ neigt ist. An die Boden- oder Sockelplatte 42 ist eine rundum laufende Stempelwand 44 angeformt, welche einen quaderförmigen Innenraum 46 umgibt sowie die Sockelplatte 42 zu einer Gesamthöhe n des Stempelteils 40 von 50 mm er­ gänzt. Die Stempelwand 44 verjüngt sich querschnittlich zu ihrer Endkante 48 der Breite q von 3 mm hin, da sich ihre Außenfläche 45 in einem Winkel w₁ von 3° einwärts neigt.

Im Zentrum der Boden- oder Sockelplatte 42 ist der Aus­ fluss- oder Axialkanal 34 des Durchmessers c von 6 mm ange­ ordnet, beidseits flankiert von einem Durchbruch 50 des Durchmessers c₁ von 13 mm für Befestigungsmittel.

Am Übergang der Stempelwand 44 in die Sockelplatte 42 ist - unter Erzeugung eines nutähnlichen Aufnahmeraumes 52 - eine Verschleißleiste 54 aus Metall eingesetzt, deren der Unterfläche 41 fernliegende - obere - Längskante 55 im Abstand s von 25 mm zu jener Unterfläche 41 verläuft. Die Länge t dieser Verschleißleiste 54 an der Längsseite des Stempelteils 40 misst etwa 95 mm.

Wird das Stempelteil 40 in die in Fig. 6 erkennbare Be­ triebsstellung geschoben, fällt seine Längsachse B in die Längsachse A des Hohlprofils oder Werkstücks 10. Dabei liegt die Verschleißleiste 54 - sich zur Längsachse B hin verjüngenden Querschnittes - der inneren Längskante des Stirnrandes 14 des Hohlprofils 10 an und schützt so den PU- Körper des Stempelteils 40.

Die Verschleißleisten 54 können steifenartig und in jede Wandungsfläche gesondert so eingesetzt werden, dass ihre Endkanten aneinander liegen, oder es werden - wie in Fig. 2 angedeutet - Eckwinkel 54 _e eingegossen, die sich in der Fäche berühren. Die Verschleißleisten 54 können aber auch als umlaufender Rahmen ausgebildet sein. Dank ihrer geringen Dicke y von 2 bis 3 mm ist sie geringfügig flexibel und somit begrenzt anpassbar.

Auch das abdichtende Stempelteil 40 _b der Fig. 7, 8 weist eine zu seiner Endkante 48 hin - also vom metallischen Stempel 16 _b weg - eine einwärts geneigte umlaufende Wan­ dung 44 auf. Statt jener Verschleißleiste 54 aber ist hier dem PU-Stempelteil 40 _b ein gesonderter plattenartiger Stahlaufsatz 56 des Stempels 16 _b zugeordnet; dieser Stahl­ aufsatz 56 bietet einen wulstartigen Rand 58 an, der in die Bodenplatte 42 des PU-Stempelteils 40 _b an deren Außenfläche 43 einragt und dessen Außenbereich eine Verschleißkante 60 bildet. Diese ist Teil der mit der Außenfläche 45 der Wandung 44 des Stempelteils 40 _b etwa fluchtend geneigten Außenfläche 62 jenes wulstartigen Randes 58.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Umformen eines als Ein- oder Mehrkam­ merprofil ausgebildeten Hohlprofils od. dgl. Werk­ stückes mittels eines in seinem abgedichteten und von einem Stempel übergriffenen Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang eines in den Profilraum (12) des Hohl­ profils oder Werkstücks (10) einführbaren und dich­ tenden Stempelteils (40, 40 _b) aus begrenzt flexiblem Kunststoff wenigstens ein Zusatzelement (54, 54 _e, 58) aus einem Werkstoff hoher Festigkeit vorgesehen ist, welches einen Teil der Außenfläche (45) des Stempelteils (40, 40 _b) bildet sowie an dem begrenzt flexiblen Stempelteil außenseitig einen Bereich, der beim Überführen in die Betriebsstellung dem Hohlprofil anlegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelteil (40, 40 _b) eine Bodenplatte (42) mit daran angeformt umlaufender Wandung (44) auf­ weist, wobei letztere einen Innenraum (46) begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Stempelteil (40, 40 _b) trogartig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (44) eine zum Innenraum (46) des Stempelteils (40, 40 _b) in einem Winkel (w₁) geneigte Außenfläche (45) aufweist.

5. Vorrichtung nach Ansprüch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Wandung (44) einen sich zu ihrer Endkante (48) verjüngenden Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelteil (40, 40 _b) aus Kunststoff, insbesondere aus Polyurethan, geformt und an einen metallischen Stempel (16, 16 _a, 16 _b) ange­ schlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte (42) des Stempelteils (40, 40 _b) zumindest eine kanalartige Öffnung (34) für das strömbare Wirkmedium vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement (54, 58) für das Stempelteil (40, 40 _b) aus einem me­ tallischen Werkstoff gefertigt ist, der bevorzugt großteils Eisen sowie nicht mehr als 2% Kohlenstoff enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Zusatzelement (54) leistenartig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das leistenartige Zusatzelement (54 _e) aus einander in der Fläche berührenden Eckwinkeln zusammengefügt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement 54, 54 _a als Verschleißleiste in das Stempelteil (40) eingefügt ist und seine Außenfläche mit der/den Außenfläche/n (45) des Stempelteils (40, 40 _b) fluchtet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement (54, 54 _e) bzw. die Verschleißleiste von dünnem Querschnitt und begrenzt biegbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Anspruche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass die Verschleißleiste einen sich zum Innenraum (46) des Stempelteils (40, 40 _b) hin verjüngenden Querschnitt aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, dass die Verschleißleiste einen den Innenraum (46) des Stempelteils (40) umgebenden Rahmen bildet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Zusatzelement 54, 54 _e ein wulstartiger Rand (58) eines dem Stempelteil (40 _b) zugeordneten metallischen Aufsatzes (56) ist, wobei der Rand eine in die Außenfläche (45) der Wandung (44) einragende Verschleißkante (60) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wulstartige Rand (58) des plattenartigen metallischen Aufsatzes (56) eine einwärts geneigte Außenflä­ che (62) aufweist, die mit der geneigten Außenfläche (45) des zugeordneten Stempelteils (40 _b) etwa fluch­ tet.