Werkzeug zur Bearbeitung von Metall Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Bearbei tung von Metall, und zwar ein Werkzeug für die Metallbearbeitung, die unter dem Begriff Fliessver formung (flowturning) bekannt ist.
Das erfindungsgemässe Metallbearbeitungswerk- zeug mit einem festen Teil und mit einem relativ zu dem festen Teil drehbar gelagerten Teil für die Fliess verformungsbearbeitung eines Werkstücks in einer Drehbank ist dadurch gekennzeichnet, dass der dreh bar angeordnete Teil einen inneren Rahmen aufweist, der verstellbar angeordnet und in dem fest angeord neten Teil befestigt ist, und dass dieser drehbare Teil einen äusseren Rahmen und einen Bearbeitungsring,
der sich frei in dem inneren Rahmen drehen kann, aufweist, wobei der innere Rand des Bearbeitungs rings geeignet ist, ein Werkstück zu verformen, gegen das die Kante während der Relativdrehung des Werk zeugs zu dem Werkstück gedrückt wird.
Anhand der Figuren wird die Erfindung bei spielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Metallbear- beitungswerkzeugs.
Fig. 2 zeigt eineu Schnitt durch das Werkzeug längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Werk, zeug längs der Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Werkzeugs.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das in Fig. 4 dargestellte Werkzeug längs der Linie 5-5.
Fig. 6 zeigt das in Fig. 4 dargestellte Werkzeug in Tätigkeit, wobei es verwendet wird, um ein röhren, förmiges Werkstück in ein längsgestrecktes Rohr mit geringerer Wandstärke zu verformen.
Fig. 7 zeigt im einzelnen eine Schnittansicht der Stelle des in Fig. 6 dargestellten Werkzeugs, wobei das Rohrstück durch das Werkzeug hindurchgeführt und seine Wandstärke verringert wird.
In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Werkzeug 9 dar- gestellt, das einen äusseren Rahmen 11 von im all gemeinen rechteckiger Form mit Enden 12 und Seiten 14 aufweist. In dem äusseren Rahmen 11 sind parallel zu den Seiten desselben verschiebbar innere Rahmen 16 angeordnet. Die verschiebliche Anordnung der inneren Rahmen 16 wird durch V förmige Vorsprünge oder Zungen 18 bewirkt, die in V-förmige Parallelrillen 20 in den Innenseiten der Seitenteile 14 des äusseren Rahmens eingreifen.
Wie zu sehen ist, sind die inneren Rahmen 16 auf diese Weise in einer seitlichen Richtung geführt und in dieser Richtung können sie vermittels Befestigungs schrauben 22 verstellt werden, welche gegen die End- teile der inneren Rahmenstücke 16 drücken und welche durch die Endteile 12 des äusseren Rahmens, wie bei 24 angedeutet ist, hindurchgeschraubt sind.
Nachdem die Schrauben 22 so gestellt wurden, dass die gewünschte Einstellung erhalten ist, können sie in dieser Stellung durch Kontermuttern 26 arretiert werden. Die inneren Rahmen 16 sind mit Mittel bohrungen 28 versehen, in denen Bearbeitungsringe 30 frei drehbar gelagert sind.
Die inneren Kanten 31 der Bearbeitungsringe 30 besitzen einen abgestumpf. ten Querschnitt und können, wie dargestellt, ab gerundet sein, so dass sie für die Fliessdrehverformung eines Werkstücks, gegen das sie während der Drehung des Werkzeugs 9 rund um ein ,solches Werkstück herum gedrückt werden, geeignet sind: Die freie Dre hung der Bearbeitungsringe 30 relativ zu den Boh rungen 28 der inneren Rahmen 16 kann gewährleistet werden, indem für jeden Rahmen ein geeignetes La ger vorgesehen ist, wie z.
B. ein Kugellager 32, das einen äusseren Laufring 34, Lagerkugeln 36 und einen inneren Laufring 38 aufweist. Die entsprechen den Dimensionen der Bohrungen 28, der Kugellager 32 und der Bearbeitungsringe 30 können so gewählt werden, dass die Aussenfläche der äusseren Lauf ringe 34 im Passsitz in den Bohrlöchern 28 und die Aussenflächen des Bearbeitungsrings 30 ebenfalls im Passsitz innerhalb der inneren Kugellagerlaufringe 38 sitzen.
Bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten ab geänderten Ausführungsform 39 der Erfindung wird ein ringförmiger äusserer Rahmen verwendet, und die relative Einstellung der Bearbeitungsringe in bezug aufeinander wird durch zwei exzentrische Einrichtun gen erhalten.
Bei dieser in den Fig. 4 und 5 dar- gestellten Ausführungsform ist ein starker ringförmi ger äusserer Rahmen 40 vorgesehen, der zwei Boh rungen 42 und 44 aufweist, die von entgegengesetzten Seiten des äusseren Rahmens 40 eingebohrt oder auf andere Weise gebildet sind und die nur teilweise durch den Rahmen hindurchgeführt sind. Diese bei den Bohrungen sind exzentrisch zu dem Rahmen 40 angeordnet, und die exzentrischen Mittelpunkte der Bohrungen 42 und 44 befinden sich einander gegen über auf dem Durchmesser des äusseren Ringrah mens. In den Bohrungen 42 und 44 sind innere Ringrahmen in Form von Ringen 46 angeordnet, die exzentrische Bohrungen 48 besitzen.
Die Ring rahmen 46 können innerhalb der Bohrungen 42 und 44 verdreht werden, um sie in bestimmten Stellungen einzustellen, und wenn sie, wie gewünscht, eingestellt sind, können sie vermittels Befestigungseinrichtungen in dieser Einstellung arretiert werden. Diese Befesti- gungseinrichtungen sind beispielsweise Schrauben Sätze 50, die in den äusseren Rahmen 40 ein geschraubt sind.
In den Bohrungen 48 der inneren Rahmen sind beispielsweise im Pass- oder Presssitz Kugellager 52 angeordnet, die aus äusseren Laufringen 54, inneren Laufringen 56 und dazwischen angeordneten Lager kugeln 58 bestehen. In den inneren Laufringen 56 der Kugellager 52 sind Bearbeitungsringe 60 an geordnet, die ebenfalls im Press- oder Passsitz geeignet befestigt sind.
Die inneren Ränder 61 der Bearbei tungsringe 60 weisen ebenfalls einen stumpfen Quer schnitt, teilweise abgeflacht, auf, der geeignet ist, ein Werkstück, gegen das die Ringe gedrückt werden, während der Drehung des Werkzeugs 39 rund um dieses Werkstück, unter Fliessverformung zu drehen. Vorzugsweise sind die inneren Seitenränder der inne ren Laufringe 56 abgeschrägt, wie bei 62 angezeigt ist, um in entsprechende Absätze 64, die von be nachbarten Rändern der Bearbeitungsringe 60 vor stehen, einzugreifen.
Flache, ringförmige Deckscheiben 66 sind vor gesehen, um die inneren Rahmen 46, die Kugellager 52 und die Bearbeitungsringe 60 in der entsprechend einjustierten Stellung zu halten. Diese Ringscheiben sind fest mit den beiden äusseren Seiten des äusseren Rahmens 40 mittels Bolzen 68 verschraubt.
Die Bearbeitungsringe 60 können in dieselbe Lage eingestellt und in dieser befestigt werden, wie sie vermittels der Bearbeitungsringe erhalten werden kann, die in der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Anordnung verwendet werden.
Das beschriebene Werkzeug kann beispielsweise verwendet werden, um die Wandstärke eines relativ dickwandigen Rohrstücks bei gleichzeitiger Ver längerung des Rohres zu verringern. Irgendeine ge eignete Vorrichtung, um der Einrichtung eine dre hende Bewegung um das Werkstück, das auf einem Dorn befestigt ist, zu verleihen, kann verwendet wer den.
Die Fig. 6 und 7 zeigen ein einfaches und grund legendes Verfahren unter Verwendung einer Dreh bank, wobei bemerkt wird, dass für schwere Arbeit, d. h. eine Bearbeitung von Werkstücken mit grossem Durchmesser und grossen Wandstärken sowie bei grossen Wandstärkeverringerungen in einem einzigen Durchgang, verhältnismässig schwere und leistungs- fähige Maschinen erforderlich sind, und dass diese Maschinen von üblicher Bauart .sein können oder solche Maschinen sind, die bereits für diesen Zweck mit herkömmlichen Werkzeugen verwendet werden.
In Fig. 6 ist eine mehr oder weniger konventio nelle Drehbank dargestellt, die einen Fuss 70 auf weist, auf dem Führungen 72 angeordnet sind. Am Ende des Fusses 70 ist ein Spindelstock 74 an geordnet, in dem sich ein geeigneter Motor (nicht dargestellt) befindet oder mit diesem verbunden ist. Der Motor dreht die Planscheibe 76, mit der bei spielsweise vermittels eines Drehbankfutters 78 ein Werkzeug 39 verbunden ist, das beispielsweise das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Werkzeug 39 sein kann.
Am anderen Ende der Basis 70 befindet sich ein Reitstock 80, auf dem ein Spannfutter 82 an geordnet ist. In dem Spannfutter ist das Ende eines langen zylindrischen Dorns 84 fest eingespannt und gehalten. Das andere Ende des Dorns 84 führt durch das Werkzeug 39 und eine geeignete Mittelöffnung in der Planscheibe 76.
Auf den Führungen 72 ist ein Support 86 gleitbar gelagert, der längs der Führungen 72 in üblicher Weise durch die Drehung einer Leitspindel 88 vor- und zurückgeschoben wird. Die Leitspindel wird be tätigt, indem sie mit der Spindel des Spindelstocks in geeigneter Weise gekoppelt ist. Mit dem Support 86 ist ein Stehlagerblock 90 fest verbunden, indem ein Ende des Rohrstücks 92 eingespannt ist, wenn ein solches als Werkstück verwendet wird, und dieses auf dem Dorn 84 angeordnet ist. Die oberen und unteren Teile des Stehlagerblocks 90 sind um ein Ende des Rohrstücks 92 vermittels Bolzen 94 be festigt.
Das andere Ende des Rohrstücks 92 befindet sich am Eingang des vorderen Bearbeitungsrings in dem Werkzeug 39.
In Fig. 7 ist die Einstellung der Bearbeitungs ringe 60 in dem Werkzeug 39 und ihre Verformungs- wirkung dargestellt. Ein Bearbeitungsring, der in die ser Figur mit 60a bezeichnet ist, wird so eingestellt, dass sein innerer Rand oder der die Verformung be wirkende Teil 61a mit dem Teil, der sich am näch sten der Mitte des Werkzeugs befindet, in einem Abstand von dieser Werkzeugmitte angeordnet ist, der gleich der Hälfte des äusseren Durchmessers des Rohres nach der gewünschten vorläufigen Veringe- rung der Wandstärke ist.
Der andere Bearbeitungs ring, der mit 60b bezeichnet ist, wird so eingestellt, dass der Teil seines inneren Randes 61b, der dem Zentrum des Werkzeugs 39 am nächsten liegt, im Abstand von diesem Zentrum angeordnet ist, der der Hälfte des äusseren Rohrdurchmessers entspricht, welcher der endgültig gewünschte ist. Die vorläufige Wandstärkenverringerung soll etwa 1/2 der gesamten Verringerung betragen. Auch sind die Bearbeitungs ringe so eingestellt, dass die dem Zentrum des Werk zeugs am nächsten gelegenen Randteile einander ge genüber oder so nahe wie möglich gegenüber an geordnet sind, wie mit vernünftigen Massnahmen er reicht werden kann.
Bei der Einstellung der Bearbeitungsringe, wie sie eben beschrieben wurde, wird das Rohr 92 in das. Werkzeug 39 eingeführt, indem der Support 86 dieses Rohr in Richtung der in Fig. 7 angedeuteten Pfeile einschiebt. Gleichzeitig wird das Werkzeug 39 um seine Mitte gedreht und die einander nahe liegenden Abschnitte der Bearbeitungsringe 60a und 60b drük- ken sich nacheinander in das Metall des Rohres 92 ein, wenn sie sich um dieses herum bewegen. Auf diese Weise wird das Metall des Rohres 92 zwischen die Kante des Bearbeitungsrings und den Trägerdorn gequetscht und die Wandstärke in zwei Bearbeitungs schritten verringert und gleichzeitig das Rohr ent sprechend verlängert.
Wenn erforderlich, kann ein in Längsrichtung wirkender Zug auf das Werkstück angewandt werden, um die Bearbeitung des Metalls und die Längsdehnung während der Bearbeitung so wie die Verringerung der Wandstärke zu fördern.
Die Wirkung des beschriebenen Werkzeugs ist von vielen bisher im weitesten Umfang praktisch an gewandten Verformungsmassnahmen verschieden. Es wird bemerkt, dass das Metall des Werkstücks, wenn es unter den beschriebenen Bedingungen bearbeitet wird, veranlasst wird, in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Rohres und im wesentlichen in einem rechten Winkel zu der Hauptrichtung, in der der vermittels der Bearbeitungsringe ausgeübte Druck wirkt;
fliesst. Dies ist der Fall, weil der Support 86 das Rohr in die Bearbeitungsringe 60a und 60b, wie in Fig. 7 dargestellt ist, hineindrückt und gleichzeitig diese Ringe das Metall zwischen jedem dieser Ringe und dem Dorn bearbeiten, wenn sie sich um das rohr- förmige Werkstück drehen. Auf diese Weise kann das Metall nirgendwohin fliessen mit Ausnahme unter den Bearbeitungsringen heraus in Längsrichtung zu dem röhrenförmigen Werkstück.
Da, der Durchmesser des bearbeiteten Rohres infolge der Einstellung der Bearbeitungsringe und schliesslich natürlich durch den Bearbeitungsring 60b, verringert und begrenzt wird, wird das verdrängte Metall in die Form eines Rohres mit der gewünschten dünneren Wandstärke und der entsprechend grösseren Länge umgearbeitet. Die Ausführung, die in den Fig. 4 und 5 dar gestellt ist, ist für die Zentrierung und den Antrieb in einer Drehbank ähnlichen Maschine geeignet.
Das Werkzeug soll im allgemeinen mit einer Umdrehungs geschwindigkeit von mehreren Hundert Umdrehun gen pro Minute gedreht werden und der Ringrahmen und die allgemein beschriebene Vorrichtung kann leicht ausgewuchtet werden und ist für diese Art der Verwendung geeignet. Das Einspannen des Endes des Rohres 92 in den Support vermittels der Be festigungseinrichtung 90 gewährleistet, dass das Rohr selbst sich nicht mitdreht und gleichzeitig kann dieses mit der erforderlichen Geschwindigkeit in die Be arbeitungsringe hineingeschoben werden.
Anderseits kann natürlich auch eine äquivalente Wirkung da durch erreicht werden, dass das Werkzeug fest ein gespannt und das Rohr sowie der Dorn, auf dem es angeordnet ist, gedreht wird. Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsform nach der Erfin dung ist für einen solchen Anwendungszweck ge eignet. Sie kann in geeigneter Weise befestigt werden, während ein geeigneter Mechanismus zum Drehen und zur Zuführung des Rohres in bekannter Weise angeordnet sein kann.
Die Ausführungsform des Werkzeugs, wie sie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist, ist etwas einfacher und billiger herzustellen als die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungs form, jedoch ist sie nicht so gut zentriert und ist bei hohen Drehgeschwindigkeiten nicht so brauchbar.
Das beschriebene Werkzeug kann mit einem oder mehreren Bearbeitungsringen versehen sein. Wenn nur ein Ring angewandt wird, muss die Träger- und Antriebskonstruktion während der Bearbeitung fest und starr sein, um dem einseitig ausgeübten Druck Widerstand zu leisten. Die dargestellten Ausführungs formen, bei denen ein Paar von Bearbeitungsringen angewandt werden, die sich um die Mitte diametral einander gegenüber befinden, besitzen den Vorteil, dass die Bearbeitungskräfte, die durch die Bearbei tungsringe ausgeübt werden, weitgehend ausgewuch tet sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass, da die Ringe nicht in derselben Ebene angeordnet sind, diese Kräfte nicht genau ausgewuchtet sind. Da das rohrförmige Werkstück auf einem starren Dorn an geordnet ist, und der Abstand zwischen den Be arbeitungsringen ausreichend klein ist, kann eine sehr wirksame und praktisch genügende Auswuchtung der Vorrichtung erhalten werden.
Die Anzahl und die Einstellung der Bearbeitungsringe wird weitgehend von der Art des zu bearbeitenden Metalls und dem Ausmass der erforderlichen Wandstärkenreduktion bestimmt. Die Reduktionen der Wandstärken können bei weichen und dehnfähigen Metallen, wie z: B. Kupfer und Aluminium bis zu 50 % und mehr in einem einzigen Durchgang durch einen einzigen Be arbeitungsring betragen. Das Mass der Reduktion, das bei härteren Metallen, wie z.
B. bei korrosions beständigem Stahl, . erreichbar ist, ist, wie- erwartet werden kann, wesentlich geringer. Nachfolgend wird ein Beispiel für die möglichen Reduktionen gegeben, wobei ein Kupferrohr verwendet wurde, das einen Innendurchmesser von 19,050 mm (3/4 Inch) und eine Wandstärke von 1,587 mm (0,0625 roch) besass.
Dieses Kupferrohr wurde als Werkstück verwendet und mit einem Werkzeug bearbeitet, das im wesent lichen dem entspricht, welches in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist und das in einer Anlage, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt wird, verwendet wurde. Das Werkzeug wurde mit 250 Umdrehungen pro Minute gedreht und das rohrförmige Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm (0,008 inch) pro Um drehung des Werkzeugs vorgeschoben.
Die Bearbei- tungsringe wurden so eingestellt, dass der erste Ring eine Reduktion von etwa<B>30%</B> bewirkte und eine Gesamtreduktion von etwa<B>60%</B> nach dem Durch gang durch den zweiten Ring erhalten wurde. Nach einem einzigen Durchgang durch das Werkzeug wurde gefunden, dass die ursprüngliche Wandstärke von 1,587 mm (0,0625 inch) auf 0,635 mm (0,025 inch) reduziert wurde. Das entspricht einer Reduktion von<B>56%</B> der Wandstärke und einer ent sprechenden Verlängerung des Rohres. Das reduzierte Rohr hatte ein gutes äusseres Aussehen.
Die Reduk tion wurde mit einem Energieaufwand von nur 1i/2 Pferdestärken zum Antrieb des Werkzeugs er reicht. Titan war etwas ,schwieriger zu verformen und erforderte einen zweifachen Durchgang, um ein Rohr mit 31,75 mm (1,25 inch) Aussendurchmesser und einer Wandstärke von 2,381 mm (0,094 inch) zu reduzieren. Beim ersten Durchgang wurde die Stärke auf 1,499 mm (0,059 roch) reduziert.
Das Werkzeug wurde hierauf neu eingestellt und beim zweiten Durchgang wurde die Stärke auf 1,092 mm, was einer Gesamtreduzierung von 54 % entspricht, redu ziert.
Bei den dargestellten Ausführungsformen sind die inneren Ränder der Bearbeitungsringe einfach ab gestumpft dargestellt. Diese abgestumpfte Bearbei tungskante kann geeignet abgeändert werden, um sie für besondere Anwendungszwecke geeignet zu ma chen. Die Bearbeitungskante kann mehr oder weniger abgestumpft, gerundet, abgeflacht, gewinkelt oder sogar abgestuft ausgebildet werden, um die ge wünschte Fliessverformung und Verdrehung des Me talls während des Arbeitsvorganges zu halten.
Das beschriebene Werkzeug besitzt eine Anzahl einzigartiger Vorteile. Die Bearbeitung des Metalls mit der inneren Kante eines Ringes bewirkt eine wesentlich längere Berührungslinie als sie mit der äusseren Oberfläche eines Rades erhalten werden kann, wobei sich die Berührung fast nur auf einen Punkt beschränkt. Deshalb ist die seitliche Ver drängung (bezüglich des rohrförmigen Werkstücks)
eingeschränkter und das Metall verfliesst viel wirk- samer in Längsrichtung unter dem Bearbeitungsring und im rechten Winkel zu diesem als bei Verwendung eines Rades.
Weiter ist der bearbeitete Teil der inneren Kante des Rings an der Kontaktstelle mit dem Rohr konkav, während die Bearbeitungskante eines Rades konvex ist und es wird angenommen, dass diese Tatsache ebenfalls dazu beiträgt, dass eine wirksame Bearbeitung und eine besondere Stabilität bei der Bearbeitung erhalten wird.
Das Werkzeug ist weiter ein kompakter Gegen stand und der äussere Rahmen enthält die Bearbei tungsringe und hält sie in der für die Bearbeitung bestimmten Stellung. Wenn Bearbeitungsräder ver wendet werden, müssen Vorgelegewellen und andere Hilfseinrichtungen und Kraftübertragungseinrichtun- gen verwendet werden und diese müssen einzeln ein gestellt und befestigt werden, um das gewünschte Teilbearbeitungsergebnis zu erhalten. Die Einrich tungen und die gesamte Maschine muss im all gemeinen schwer und fest sein.
Die Verwendung von Bearbeitungsringen nach dieser Erfindung macht es jedoch möglich, dass die Einrichtungen in einem festen Rahmen angeordnet sind, in dem sie in ihrer Stellung arretiert sind, wobei ihre äusseren Flächen beispielsweise von einem Laufring anstelle einer in axialer Richtung verlaufenden Welle umgeben sind. Auf diese Weise ist eine festere Justierung und Fluchtung möglich. Das erfindungsgemässe Werkzeug ist geeignet, um ein dünnwandiges Metallrohr aus einem Rohr von im wesentlich grösserer Wandstärke und kürzerer Länge zu erhalten.
Wenn gewünscht, kann die Wandstärke des fertigen Rohres über seine Länge variieren, indem die Einstellung der Bearbei tungsringe in geeigneter Weise intermittierend oder kontinuierlich verändert wird. Auf diese Weise kann der Aussendurchmesser des fertigen Rohres, wenn ge wünscht, an bestimmten Stellen dicker oder dünner gemacht werden. Ein Rohrstück mit einer dünneren Wandstärke in seiner Mitte im Vergleich zu den Endwandstärken hat bestimmte konstruktive Vorteile und solche Rohre können durch geeignete Einstellung der Bearbeitungsringe erhalten werden, wenn das Rohrstück bearbeitet wird.
Durch Verwendung eines Doras mit einem Teil mit verringertem Durchmesser und einer Bearbeitung des rohrförmigen Werkstücks über diesem Teil des Doras mit dem reduzierten Durchmesser kann mit dem vorliegenden Werkzeug ebenfalls eine Senke oder ein Rohr mit reduziertem Innendurchmesser erhalten werden. Wenn die Be arbeitung unter diesen Bedingungen erfolgt, wird die Reduktion der Wandstärke im allgemeinen nicht so gross sein, als wenn ein Dorn mit gleichförmigem Durchmesser verwendet wird.