DE60307441T2 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Umformmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks, beispielsweise durch Deformierung oder Fixierung des Werkstücks in einem anderen Werkstück, indem das Werkstück über einen Aufspanndorn angesetzt wird und zumindest ein Teil des Aufspanndorns so expandiert wird, dass er das Werkstück fixiert und das Werkstück und zumindest ein Werkzeug sowie eine Umformwalze um eine Achse in Bezug aufeinander gedreht werden und das Werkstück mittels des Werkzeugs bearbeitet wird.
• Expandierbare Aufspanndorne sind bekannt und sie sind beispielsweise lokal mit Segmenten entlang deren Umfang vorgesehen, wobei diese Segmente nach außen und innen bewegt werden können. Wenn ein Werkstück in einer Position auf dem Aufspanndorn fixiert wird, werden die Segmente in einer Richtung nach außen bewegt, bis sie im Eingriff mit der Innenseite oder von Abschnitten des Werkstücks, das bearbeitet werden soll, stehen. Aufspanndorne dieser Art sind jedoch anfällig für einen vergleichsweise schnellen Abrieb. Zusätzlich tritt es von Zeit zu Zeit auf, dass das Werkstück nur mit Schwierigkeiten von dem Aufspanndorn wieder entfernt werden kann.
• Aus Gründen der Vollständigkeit wird angemerkt, dass die internationale Patentanmeldung PCT/NL01/00939 (nicht vorveröffentlicht) einen expandierbaren Aufspanndorn erwähnt.
• Das Ziel der Erfindung ist es, das Verfahren und die formgebende Maschine, wie sie im ersten Absatz erwähnt wird, zu verbessern. Dieses Ziel kann durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Umformmaschine gemäß Anspruch 6 erreicht werden.
• Zu diesem Zwecke sind das Verfahren und die Umformmaschine gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass weniger als die Hälfte des expandierten oder expandierbaren Teils des Aufspanndorns mit Abschnitten des Werkstücks, die mit dem Werkzeug bearbeitet werden sollen, im Eingriff steht. Vorzugsweise verbleibt der expandierte Teil des Aufspanndorns im Wesentlichen frei von denjenigen Abschnitten des Werkstücks, die bearbeitet werden sollen.
• Die Belastung auf den expandierbaren Teil und somit das Maß des Abriebs des Aufspanndorns wird signifikant auf diese Weise reduziert und im Falle von Aufspanndornen, deren expandierbarer Teil segmentiert ist, wird verhindert, dass das Material des Werkstücks während des Betriebs in die Öffnungen zwischen den Segmenten gedrückt wird und somit in Wechselwirkung mit der Kontraktion des Aufspanndorns gerät.
• Vorzugsweise ist der Aufspanndorn mit einem Stopp für das Werkstück versehen. Somit können Werkstücke auf dem Aufspanndorn auf einfache Art und Weise befestigt werden, beispielsweise durch Drücken des Werkstücks gegen den Stopp mittels des expandierbaren Teils des Aufspanndorns, wodurch die axiale Position des Werkstücks definiert wird.
• Abhängig u.a. von der Natur des Werkstücks und der des finalen Produkts ist es möglich, das Werkstück zu drehen, während das Werkzeug stationär in Rotationsrichtung verbleibt, das Werkzeug zu rotieren, während das Werkstück stationär in Rotationsrichtung verbleibt, oder beide zu drehen. Für Beispiele der verschiedenen Verfahren wird Bezug genommen auf die internationalen Patentanmeldungen PCT/NL01/00563, PCT/NL01/00564 und PCT/NL01/00565, sowie auf die eingangs erwähnte internationale Patentanmeldung PCT/NL01/00939.
• Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff „Aufspanndorn" jede Vorrichtung, die in ein Werkstück eingeführt werden kann, und auf der dieses Werkstück temporär fixiert werden kann.
• Die Erfindung wird im Anschluss unter Bezugnahme auf die anhängenden Figuren detaillierter erläutert, welche eine Anzahl von Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
• 1 ist eine schematische Ansicht von oben auf ein Beispiel einer Umformmaschine.
• 2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht von oben eines Details der Umformmaschine aus 1.
• Die 3A und 3B sind Querschnittsansichten einer ersten Ausführungsform eines Aufspanndorns gemäß der Erfindung zur Verwendung in der Umformmaschine aus den 1 und 2.
• Die 4A bis 4D zeigen vier Schritte eines Beispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Die 5A bis 6B zeigen zwei weitere Beispiele eines Aufspanndorns gemäß der Erfindung.
• Soweit Teile identisch sind oder in den unterschiedlichen Ausführungsformen die gleiche Funktion aufweisen, werden diese Teile im Anschluss mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 bis 3B zeigen eine Umformmaschine 1, die ein Spannfutter 2 zum Absetzen eines Werkstücks sowie den dargestellten, schon deformierten Metallzylinder 3 umfasst. Das Spannfutter 2 kann um eine imaginäre Achse 5 herum gedreht werden, beispielsweise mittels eines elektrischen oder hydraulischen Motors, der innerhalb des Gehäuses 4 vorliegt. An jeder Seite des Werkstücks 3 ist ein Umformwerkzeug so wie eine Umformwalze 6, 6' angeordnet, die drehbar an einer jeweiligen Halterung 7, 7' befestigt sind, welche wiederum in einer oberen Gleitschiene 8 in einem Gehäuse 9 eingesetzt sind. Die obere Gleitschiene 8 und somit die Umformwalze 6 können über eine Führung, die in dem Gehäuse 9 vorliegt, beispielsweise mittels eines hydraulischen Servomotors oder Zylinders in einer (Y)-Richtung, die sich unter einem Winkel von beispielsweise 45 bis 90° zur Achse 5 erstreckt, hin- und herbewegt werden.
• Das Gehäuse 9 ist an einer unteren Gleitschiene 10 befestigt, die zu großen Teilen durch die Balge 11 verdeckt und auf einer Führung befestigt sind, die wiederum einen Teil eines Maschinenbetts ausbildet. Die untere Gleitschiene 10 kann über diese Führung 12 auch in diesem Fall mittels eines hydraulischen Servomotors oder Zylinders beispielsweise in einer (X)-Richtung, die sich senkrecht zur Richtung der Bewegung der oberen Gleitschiene 8 erstreckt, hin- und herbewegt werden.
• Für weitere Details in Bezug auf ein geeignetes Beispiel der Zusammensetzung einer Umformwalze und der dazugehörigen Gleitschiene und der Antriebselemente wird Bezug genommen auf die europäische Patentanmeldung EP 0 125 720 .
• Beim Betrieb, der in den 1 bis 3 gezeigt ist, wird der Zylinder 3 bei einer geeigneten Geschwindigkeit gedreht, während die Umformwalzen 6, 6' gegen dessen äußere Wand gedrückt wird. Die Umformwalzen 6, 6' werden auf eine solche Weise angetrieben, dass sie eine Hin- und Herbewegung in Y-Translationsrichtung mit einer Frequenz ausführen, die auf die Frequenz der Rotation des Zylinders 3 angepasst ist, um somit dem deformierten Teil zu folgen und diesen weiter zu deformieren, wobei die zentrale Achse 12 des deformierten Teils einen Winkel mit der Achse 5 einschließt.
• Danach werden die Umformwalzen 6, 6' sowie der Zylinder 3 in der X-Richtung in Bezug aufeinander beispielsweise auf eine solche Weise bewegt, dass die Umformwalzen 6, 6' anfangs vom Ende des Werkstücks 3 über eine gewisse Distanz beabstandet sind und nachfolgend auf dieses Ende hin bewegt werden. Während dieser Bewegung kann der relevante Teil des Werkstücks durch Einstellen der hin- und hergerichteten Translationsbewegung der Umformwalzen 6, 6' deformiert werden. Abhängig u.a. von dem Eigenschaften des Materials, der Wanddicke, dem Maß der Deformation und der Durchmesserreduktion wird eine größere oder kleinere Anzahl von Bearbeitungsstichen oder -schritten erforderlich sein.
• Ein Einsatzstück 13 liegt im Zylinder 3 vor. Zu diesem Zweck wird die Umformmaschine 1 mit einem Umformkopf 14 versehen, der drehbar (um die Achse 5) in einem Gehäuse 15 befestigt ist, wobei dieses Gehäuse mittels einer Gleitschiene (nicht gezeigt) über zwei Führungsschienen 16, die in einer Reihe mit der Achse 5 stehen, hin- und herbewegt werden kann. Der Kopf 14 kann sich frei drehen oder um die imaginäre Achse 5 gedreht werden, beispielsweise mittels eines elektrischen Motors, der innerhalb des Gehäuses 15 angeordnet ist, und ist mit einem exzentrischen, geneigten Aufspanndorn 17 versehen, auf dem das Einsatzstück 13 niedergehalten werden kann.
• Während des Betriebs werden das Ende und die Kante des Endes des Zylinders 3 mittels der Umformwalzen 6, 6' deformiert, um der Form des Endes und der zylindrischen Kante des Endes des Einsatzstücks 13 zu entsprechen, wie dies oben beschrieben wurde, wonach die Kanten eine feste und möglicherweise gasdichte (eingespannte) Verbindung ausbilden.
• 2 zeigt schematisch einen Aufspanndorn gemäß dem Stand der Technik, während die 3A und 3B einen Aufspanndorn 17 gemäß der Erfindung zeigen, der in der Umformmaschine 1 verwendet werden kann. Dieser Aufspanndorn 17 umfasst einen äußeren Abschnitt 18, innerhalb dessen ein innerer Abschnitt 19 vorliegt, der in axialer Richtung des Aufspanndorns 17 hin- und herbewegt werden kann. Am Ort des Endes des Aufspanndorns 17 umfasst der innere Abschnitt 19 einen kegel(stumpf)artigen Abschnitt 20, dessen Umfang im Wesentlichen dem des Umfangs des Endes des äußeren Abschnitts 18 in Bezug auf die Form entspricht, eine kreisförmige zylindrische Form in diesem speziellen Beispiel, und den Dimensionen. Zwischen dem konischen Abschnitt 20 und dem Ende des äußeren Abschnitts 18 ist ein Element, ein Ring 21 in diesem Beispiel, positioniert, welches in radialer Richtung expandierbar ist. Ein solcher Ring 21 kann aus einem elastischen, bei jeder Rate flexiblen Material, beispielsweise Gummi oder einer metallischen Spulenfeder erzeugt sein.
• In 3A wird der innere Abschnitt 19 vom Ende des äußeren Abschnitts 18 gegen die Aktion einer Feder 25 mittels eines Druckelements 22, in diesem Beispiel ein pneumatischer oder hydraulischer Stempel 23, der mit einem Kipphebel 24 in Wirkverbindung steht, weggedrückt. Als Ergebnis hiervon wird der Ring 21 wenn überhaupt in axialer Richtung kaum belastet, und der Ring 21 weist einen äußeren Durchmesser auf, der mit dem des größten äußeren Durchmessers des Konus 20 korrespondiert oder kleiner als dieser ist. In diesem Zustand ist es möglich, das Einsatzstück 13 über den Aufspanndorn 17 hinweg gleiten zu lassen. Wenn das Einsatzstück 13 einmal die gewünschte axiale Position erreicht hat, wird die Kraft, die mit dem oben genannten Druckelement auf den inneren Teil 19 ausgeübt wird, in einem solchen Maße reduziert, dass der konische Abschnitt 20 mittels der Feder 25 in der Richtung des äußeren Abschnitts 18 bewegt wird. Als Ergebnis hiervon wird der Ring 21 in axialer Richtung komprimiert, was bewirkt, dass er in radialer Richtung expandiert und die innere Seite des Einsatzstücks 13 direkt hinter der zu bearbeitenden zylindrischen Kante ergreift.
• Das in den Beispielen gezeigte Einsatzstück 13 besteht aus einem inneren Gehäuse 26 oder einem Teil hiervon für Katalysatoren von Personenkraftfahrzeugen und dergleichen. Das Einsatzstück 13, das in 2 gezeigt ist, umfasst darüber hinaus einen sogenannten katalytischen Stein oder ein Substrat 27, das mit einem Isolationsgehäuse 28 versehen ist.
• Die 4A bis 4D zeigen vier Schritte eines Verfahrens, bei dem der Zylinder 3, ein Einsatzstück 13 sowie ein Aufspanndorn 17, die in diesem Beispiel wiederum mit einem expandierbaren Ring 21 versehen sind, auf der gleichen Achse 5 positioniert sind. Der Aufspanndorn 17 ist darüber hinaus in diesem Beispiel mit einem ringförmigen Stopper 29 versehen. Das Einsatzstück 13 besteht im Wesentlichen aus einem rotationssymmetrischen Konus, der in einem kreisförmigen zylindrischen Ende endet.
• In einem ersten Schritt wird das Einsatzstück in axialer Richtung über den Aufspanndorn 17 geschoben, bis es an den Stopper 29 anstößt. Dann wird der Ring 21, der nahe dem Übergang zwischen dem Konus und dem Ende an diesem Punkt positioniert ist, in radialer Richtung expandiert (siehe 3A und 3B), wobei der Ring in die innere Seite dieser Teile eingreift und zusätzlich das Einsatzstück 13 fest gegen den Stopper 29 drückt. Dann wird das Einsatzstück 13, dessen Position in Bezug auf den Aufspanndorn 17 an diesem Punkt fixiert ist, in dem Zylinder platziert und genau in Bezug auf einen Teil, der darin vorliegt, beispielsweise ein Substrat 27, mittels des Aufspanndorns 17 positioniert. Im Anschluss hieran kann das Ende des Zylinders 3 mittels der Umformwalzen (nicht gezeigt) verschlossen werden, wobei die (axialen und radialen) Positionen des Einsatzstücks 13 in Bezug auf das Substrat 27 und den Zylinder 3 konstant bleiben. Sobald der Zylinder 3 verschlossen ist, wird die Expansion des Rings 21 wieder zurückgeführt und das abschließend oder halbabschließend bearbeitete Produkt, das so erhalten wurde, kann von dem Aufspanndorn 17 wieder entfernt werden.
• Die 5A und 5B zeigen die Position des Rests und die expandierte Position einer Variante des Aufspanndorns 17 gemäß den 4A bis 4D. Diese Variante umfasst einen hohlen Ring 21, der aus einem elastischen Material gefertigt ist, einem bei jeder Rate flexiblen Material, das mit einem Gas oder einer Flüssigkeit über ein Rohr 30 so befüllt werden kann, dass der Umfang des Rings in radialer Richtung ansteigt.
• Die 6A und 6B zeigen eine Variante, in der ein oder mehrere Befestigungsarme 31 um den Umfang des Endes des Aufspanndorns 17, der um einen Punkt drehbar ist, der nahe dessen Zentrum platziert ist, angeordnet sind. Das rückwärtige Ende jedes dieser Befestigungsarme 31 erstreckt sich radial nach innen. Wenn ein Druck auf die rückwärtigen Enden mittels eines Stempels 32 aufgebracht wird, wird sich das vordere Ende der Befestigungsarme 31 nach außen bewegen, bis sie in Eingriff mit der inneren Seite eines Werkstücks 13 stehen.
• Obwohl die oben beschriebenen Beispiele in allen Fällen Kombinationen von Werkstücken zeigen, sind die Umformmaschinen und die Verfahren gemäß der Erfindung selbstverständlich ebenso zum Bearbeiten von einteiligen Werkstücken geeignet.
• Die Umformmaschinen gemäß der Erfindung umfassen vorzugsweise eine Steuerungseinheit. Eine solche Steuerungseinheit ist beispielsweise zur Steuerung der Elemente für die Bewegungen der Walzen in X-, Y- und radialen Richtungen gemäß einem Steuerprogramm, das in einem Speicher abgelegt ist, auf eine solche Weise steuerbar, dass die Umformwalzen einem oder mehreren gewünschten Wegen zur Deformation des Werkstücks in das gewünschte abschließend oder halbabschließend bearbeitete Produkt folgen.
• Die Erfindung ist nicht auf die eingangs beschriebenen Ausführungsformen, die auf verschiedene Arten innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, variiert werden können, beschränkt. Somit kann der Aufspanndorn auf Produkte angewendet werden, die unterschiedliche Formen aufweisen. Neben den konzentrischen und geneigten Aufspanndornen, wie sie oben beschrieben wurden, ist es ebenso möglich, einen Aufspanndorn zu verwenden, dessen Zentralachse sich in Bezug auf die Zentralachse des (zweiten) Werkstücks beispielsweise exzentrisch erstreckt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (13) beispielsweise durch Deformierung desselben oder Fixierung desselben in einem anderen Werkstück (3), wobei das Werkstück (13) über einen Aufspanndorn (17) angepasst wird, zumindest ein Teil des Aufspanndorns (17) so expandiert wird, dass das Werkstück fixiert wird, das Werkstück (13) und ein oder mehrere Werkzeuge (6) um eine Achse (5) in Bezug aufeinander rotiert werden und das Werkstück (13) mittels des Werkzeugs (6) bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als eine Hälfte des expandierten oder expandierbaren Teils (21) des Aufziehdorns (17) Abschnitte des Werkstücks (13), die mit dem Werkzeug (6) bearbeitet werden, ergreift.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der expandierte Teil (21) des Aufziehdorns (17) im Wesentlichen frei von denjenigen Abschnitten des Werkstücks (13) verbleibt, die bearbeitet werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das (erste) Werkstück (13) in ein zweites Werkstück (3) eingeführt wird, das zweite Werkstück (3) mittels des Werkzeugs (6) deformiert wird, wodurch das (erste) Werkstück (13) in dem zweiten Werkstück (3) fixiert wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die zentrale Achse (12) des Aufziehdorns (17) sich unter einem Winkel in Bezug auf die zentrale Achse (5) des zweiten Werkstücks (3) erstreckt und/oder exzentrisch hierzu positioniert ist.
5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (13) in Angrenzung an einen Stopper (29) des Aufziehdorns gedrückt wird.
6. Umformmaschine (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (13), beispielsweise durch Deformieren desselben oder Fixieren desselben in einem anderen Werkstück (3), umfassend einen zumindest teilweise expandierbaren Aufziehdorn (17) zum Fixieren des Werkstücks (13), zumindest ein Werkzeug (6) zum Bearbeiten des Werkstücks (13), sowie Antriebselemente zum Drehen des Werkstücks (13) und des Werkzeugs (6) relativ zueinander um eine Achse (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Aufziehdorn (17) auf eine solche Weise an das Werkstück (13) angepasst ist, dass weniger als eine Hälfte des expandierbaren Teils (21) des Aufziehdorns (17) Abschnitte des Werkstücks (13), die mit dem Werkzeug (6) zu bearbeiten sind, ergreift.
7. Umformmaschine gemäß Anspruch 6, wobei der expandierbare Teil (21) auf eine solche Weise an das Werkstück (13) angepasst wurde, dass der expandierbare Teil (21) des Aufziehdorns (17) im Wesentlichen frei von denjenigen Abschnitten des Werkstücks (13) verbleibt, die zu bearbeiten sind.
8. Umformmaschine gemäß Anspruch 6 oder 7, welche des Weiteren eine Aufspannvorrichtung (2) für ein zweites Werkstück (3) umfasst.
9. Umformmaschine gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die zentrale Achse (12) des Aufziehdorns sich unter einem Winkel in Bezug auf die zentrale Achse (5) der Aufspannvorrichtung (2) für das zweite Werkstück (3) erstreckt und/oder exzentrisch zu dieser positioniert ist.
10. Umformmaschine gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Aufziehdorn (17) mit einem Stopper (29) für das Werkstück vorgesehen ist.