WO2001087510A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochdruckumformung - Google Patents

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WO2001087510A1
WO2001087510A1 PCT/EP2001/005393 EP0105393W WO0187510A1 WO 2001087510 A1 WO2001087510 A1 WO 2001087510A1 EP 0105393 W EP0105393 W EP 0105393W WO 0187510 A1 WO0187510 A1 WO 0187510A1
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hollow body
punch
stamp
transmission means
force transmission
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PCT/EP2001/005393
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Klaus Klee
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Interforge Klee GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/10—Stamping using yieldable or resilient pads
    • B21D22/105—Stamping using yieldable or resilient pads of tubular products

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for high-pressure forming, in which a first punch is moved and a force is exerted on a force transmission means, which transmits the force to a workpiece inserted into an embossing mold and presses it against an embossing contour of the embossing mold.
  • the invention relates in particular to a method and a device for expanding cylindrical hollow bodies, in particular elongated hollow profiles, by means of internal high-pressure forming.
  • stamps and counterprints are used in sheet metal forming processes. Examples of this are pulling or bending flat sheet metal blanks into blanks.
  • Known tools for drawing essentially consist of a stamp and a drawing ring for simple contours, or a stamp and a corresponding counterpressure for more complex contours. In the latter case, both the stamp and the counter pressure have an embossed contour corresponding to the desired shape of the finished part.
  • the production cost of such stamps and counterprints is very high and the tools are accordingly expensive.
  • the pipe end is expanded with a mandrel.
  • the widened end of the tube is compressed in the axial direction in a forming tool, as a result of which it takes on the contour of the forming tool.
  • the fluid internal high pressure forming devices which have a supply line for the hydraulic fluid and a plunger for sealing the cavity in the interior of the hollow body.
  • the stamp is also used to push wall material of the hollow body in the direction of the point of widening by applying force axially with respect to the cylinder axis in order to avoid a tapering of the wall cross section. Since the hydraulic fluid is introduced under very high pressure and has a high viscosity, the effort required for sealing is very great, especially when forming workpieces made of stainless steel or copper due to the high pressures required up to 10,000 bar. This and the high-pressure fluid production system required for this process make a corresponding tool very expensive.
  • Another problem with internal hydroforming is that the wall cross section of the hollow body decreases at the point of expansion and thus forms a weakening of the material.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple method and a simple device of the type mentioned at the outset, which is inexpensive and at the same time enables process-reliable shaping, in particular of workpieces made of metal and of cylindrical hollow bodies.
  • the force transmission means consists of at least one elastically deformable plastic element with resilience.
  • the elastically deformable first plastic element transmits this force to the workpiece and presses it against the contour of an embossing mold when a force is directly or indirectly applied by a cylindrical stamp, for example, with a flat stamp surface.
  • the plastic deforms elastically until the workpiece - itself plastically deformed - follows the contour against the embossing mold and all the cavities previously in between are filled.
  • the method / device according to the invention has the advantage over a hydraulic high-pressure forming tool that the force transmission means is a plastic, that is to say a solid, which, in spite of being deformable, does not require any special measures for sealing the tool. In contrast, the costs for the tool are kept low.
  • the method / the device proves to be advantageous in that the elastically deformable plastic element consists of poly-urethane or Vulkollan®.
  • the first punch is preferably moved in such a way that the volume available to the force transmission means which is at least partially introduced into the hollow body is reduced, as a result of which the force transmission means essentially changes extends radially with respect to the cylinder axis of the hollow body and widens the hollow body in the direction of a die surrounding it.
  • a pressure is applied in the axial direction to a front end of the hollow body by means of a second stamp in order to track wall material of the hollow body during expansion.
  • both stamps can be moved hydraulically and the stamp pressures can be controlled individually, or if the second stamp is formed by means of a rotating sleeve which is coaxial with the workpiece and the force transmission means and which is frictionally carried along by the force transmission means and which transmits a vertical force component to the front end of the hollow body.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of the device.
  • Figure 2 is a full section of the same embodiment with an inserted blank before forming.
  • FIG. 4 shows a full section of a second exemplary embodiment of the device with an inserted blank before the forming
  • FIG. 5 shows a full section of a third exemplary embodiment of the device without a stamp guide
  • FIG. 6 shows a full section of a fourth exemplary embodiment of the device
  • FIG. 7 shows two assembled half-sections of a fifth example of the device for carrying out the method according to the patent, in each case before and after the end of the shaping, with one-sided stamp facial expressions;
  • the device for hydroforming according to the embodiment according to FIG. 1 consists of a radially symmetrical embossing mold 10 which is composed of two half-shells 12, 13 which have a common contact surface 14 oriented in the axial direction.
  • the two half-shells enclose a cavity and form the embossed contour, not shown, with their inner surface.
  • a first stamp 26 projects into the embossing mold 10 through a bore 24 in the stamp guide 18.
  • the punch is essentially a cylinder which has a central coaxial bore 28.
  • the bore serves to receive a plunger 30 which extends to the upper edge of the punch guide 18 and cannot be seen in this illustration and has a corresponding diameter.
  • the embossing mold can also be composed of a plurality of further shell parts.
  • Fig. 2 shows the internal details of the same embodiment.
  • the section runs perpendicular to the contact surface 14 between the assembled half-shells 12, 13. All the other elements of the device shown are rotationally symmetrical about the axis 15.
  • FIG. 2 also shows a cylindrical hollow body inserted into the embossing mold and projecting downward from the embossing mold in the form of a tubular blank 36.
  • the blank 36 is radially surrounded by the contour 40 of the embossing mold 10 and, together with it, encloses a cavity 42.
  • a first deformable plastic element 34 is preformed in a cylindrical shape and has a cross section corresponding to the inner diameter of the blank 36. It projects with its lower axial section into the cavity inside the blank 36 and fills it in the axial direction in the area of the embossing contour surrounding it.
  • the stamp guide 18 Above in hole 24 the stamp guide 18 is a second elastically deformable plastic element 32 which is beveled in the shape of a truncated cone at its lower end. It rests with its lower end face on a first deformable plastic element 34.
  • a plunger 30 which can be suspended from a suspension device (not shown) at its upper end and can thus be fixed in the axial direction.
  • the plunger 30 has an integrally formed, thickened centering piece 31.
  • the centering piece 31 is embedded in an axial section 44 of the blank 36 which is not to be deformed, in order to center the blank 36 before and during the deformation and to fix it in its radial position.
  • the upper end face of the centering piece 31 forms an annular contact surface 33 for the first elastically deformable plastic element 34.
  • Both the first and the second deformable plastic element 34, 32 and the punch 26 have a central, coaxial bore which serves to receive the plunger 30 ,
  • the plunger 30 thereby also takes over the guiding of the plunger and of both plastic elements 32, 34 when the first plunger 26 is lowered during the shaping process in addition to the centering of the blank 36 or workpiece.
  • a ring 46 which is axially movable coaxially with the punch guide and is guided radially on its circumference by a guide bush 48.
  • the guide bush 48 is inserted into a corresponding fit of the half-shells 12 and 13 and is flush with its upper end face with the half-shells, so that no gap is formed between it and the stamp guide 18 in the assembled state.
  • the ring 46 and the guide bushing 48 form a funnel which tapers from top to bottom and which at its upper end has the radius of the bore 24 of the punch guide 18 and at its lower end the inner radius of the blank 36 has.
  • the second deformable plastic element 32 projects so far into the funnel that it has a common contact surface with the ring 46.
  • the workpiece is formed by lowering the first punch 26 using a press.
  • pressure is exerted on the second plastic element 32, which transmits the pressure vertically downward and at the same time deforms, so that its circumference increases until it fills the cavity between its outside and the bore inner wall of the stamp guide 18.
  • the pressure can then only be diverted further downward in the direction of the first plastic element 34.
  • the first plastic element lies on the support surface 33 of the plug 30 which is suspended in the press by its suspension device and thus fixed in the axial direction.
  • the first plastic element 34 is transferred by the second plastic element.
  • a pressure is initially also compressed in the axial direction and at the same time expands in the radial direction. With increasing pressure, it deforms the workpiece outwards in the radial direction.
  • An increase in the circumference of the workpiece also causes a shortening in the axial direction.
  • the axial pressure that the second plastic element 32 exerts partly frictionally and partly positively on the axially movable ring 46 is transmitted to the upper end 37 of the workpiece, so that the workpiece is pressed in the direction of the lower opening of the embossing die 10 during the forming and tracking wall material of the workpiece.
  • a not shown, located outside the embossing mold 10 and with respect to this stationary support for the workpiece 36 prevents the workpiece from moving downward.
  • the ring 46 thus forms the hold-down device for the workpiece and thus a second stamp.
  • the ring 46 fulfills a sealing Function: Due to the precisely fitting guidance of the ring 46 in the guide bush 48 and the level support of the ring on the workpiece, the cavity 42 between the blank 36 and the contour 40 of the embossing die 10 is sealed against penetration of the plastic during the deformation under high pressure , The inner diameter of the ring 46, which is less than or equal to the inner diameter of the blank, and its outer diameter, which is greater than or equal to the cross section of the embossing contour 40, ensures that the ring 46 rests on the workpiece at every stage of deformation.
  • the pressure required for pressing the workpiece 36 or for tracking wall material can be freely selected by a correspondingly selected size of the contact surface of the second plastic element 32 on the movable ring 46. If a larger contact pressure is required, the outer diameter of the ring 46 and of the second plastic element 32 need only be chosen to be correspondingly larger while the punch force remains the same.
  • the ring 46 is also gripped in the area of the outer diameter of its end face resting on the workpiece, so that a radially inward flaring of the workpiece is avoided.
  • FIG. 3 shows the final state of the forming process in which both elastic plastic elements 32 ', 34' - still under pressure - have expanded in the radial direction and have contracted in the axial direction.
  • the workpiece is deformed into the finished part 36 'and follows the contour of the embossing mold.
  • the cavity 42 in FIG. 1 between the blank 36 and the embossed contour 40 is now completely filled by the finished part 36 'or the correspondingly deformed plastic element 34'.
  • the cavity that radially surrounded the second plastic element 32 before the forming inside the punch guide is filled by the second plastic element 32 '.
  • the ring 46 is due to the vertically downward pressure in the axial direction so far down pushed, as the length contraction of the workpiece requires due to its radial expansion.
  • the plastic elements 32 ', 34' relax and return to their initial state 32, 34 due to their elastic properties.
  • the plastic elements can now, for example, be removed using the ram 30 on which they rest the finished part 36 'or the embossing die 10 are lifted out.
  • the two half-shells 12, 13 of the embossing mold must be opened.
  • the embossing mold 10 ' consists only of the two half-shells 12', 13 'which, as in the first exemplary embodiment, have a common interface 14'.
  • the guidance of the first plunger 26 ' is carried out by a cylindrically symmetrical moving bushing or sleeve 50 arranged along the axis 15' with a central bore 51 and, analogously to the first exemplary embodiment, by a plunger 30 '.
  • the rotating sleeve 50 is in turn guided in a central fit 54 in the assembled embossing die 10 '. At its lower end, it has a tapered, cylindrical projection 52 with which it rests on the workpiece 56 to be deformed.
  • the projection 52 has the exact same outer cross-section as the contour 40 ′ of the embossing mold in the corresponding upper section and also an inner diameter that corresponds approximately to the inner diameter of the undeformed workpiece 56.
  • the workpiece 56 in turn protrudes from the bottom of the embossing mold 10 'and is seated with its lower end on a support (not shown) which is located outside the embossing mold 10' and is fixed relative to this.
  • the workpiece is still in its undeformed state with its upper end face flush with the bottom 55 of the central fit 54.
  • the plunger 30 ' can be suspended at its upper end by means of a suspension device (not shown) and thus fixed in the axial direction.
  • the blank With increasing compression of the plastic element 58, the blank is deformed in the radial direction until it lies against the contour 40 'of the embossing die 12'.
  • the traveling sleeve 50 acts as a second punch and hold-down of the workpiece 56 in order to track the wall material of the blank 56 during expansion.
  • the fundamental difference from the previous exemplary embodiment is that the rotating sleeve 50 simultaneously replaces the stamp guide 18 and the ring 46 from FIGS. 2 and 3.
  • the moving sleeve thus also seals the cavity between the still undeformed blank and the contour of the embossing die against the penetration of the plastic during the deformation and at the same time takes over the guiding of the stamp.
  • FIG. 5 represents a simplified "variant of a device for hydroforming. This consists of two half-shells 62 and 63, which are assembled along the interface 64 to form an embossing die 60.
  • the assembled embossing die is again rotationally symmetrical and has one on its underside by a support surface 66 closed receptacle with a radial embossing contour 68 and a cylindrical portion 69.
  • the workpiece 70 which rests with its lower end face on the support surface 66, projects beyond the upper edge of the embossing mold 60 elastically deformable plastic element 72 is completely embedded in the workpiece 70 and also sits on the Contact surface 66.
  • the part of the workpiece 70 protruding beyond the embossing mold 60 also serves as a guide for the stamp 74.
  • the functional principle also differs from that of the other exemplary embodiments essentially in that when the plunger 74 is lowered, the radial expansion of the elastic plastic element 72 brings about a frictional entrainment of the workpiece in the direction of the bearing surface 66.
  • An additional hold-down device can be dispensed with here due to the length of the contact surface between plastic element 72 and workpiece 70.
  • the tool shown in FIG. 5 differs in that a plunger has also been dispensed with and, as a result, the plastic element 72 and the plunger 74 have no central bore. The ram is not necessary in this embodiment because the workpiece is sufficiently centered in the upper cylindrical portion 69 of the receptacle.
  • the workpiece 70 After forming in the arrangement shown, the workpiece 70 has an extended sleeve shape at each of its ends. This result is achieved with the tool 60 shown in FIG. 5 by reshaping in two work steps with the workpiece being turned over in the meantime. It is also possible to create a tool that enables the corresponding ends to be shaped in one work step.
  • the embossing mold only has to have two corresponding radial contours at the desired distance at the opposite ends of the embossing contour.
  • FIG. 6 shows a device with an embossing die 80 composed of two half-shells 82, 83 and having a central bore that is open at the top and bottom.
  • the contact surface of the two half-shells runs perpendicular to the image plane through the central axis 85 and cannot be seen in the section shown.
  • the embossing contour of the embossing mold 80 in the region of the central bore is not cylindrically symmetrical about the central axis 85, but has a bulge 86 on one side.
  • the tool is for molding a tube-like side extension neck provided on a tubular workpiece 88. The workpiece can then be processed into a T-piece in further operations.
  • the tool also has two punches 90, 96, of which the first punch 90 has a first cylindrical section 91 with the diameter of the central bore in the embossing die 80 and a second cylindrical section 92 with a diameter equal to the inside diameter of the workpiece.
  • the annular transition surface 93 between the two sections of the first punch 91 serves as a support for the workpiece 88, the second section 92 as a centering piece.
  • the first stamp with its outer end face 94 is flush with the underside 87 of the embossing die 80.
  • the position of the workpiece is hereby defined with respect to the position of the bulge 86.
  • the second punch 96 has an outer diameter over its entire length which corresponds to the inner diameter of the workpiece.
  • the contact surface for the workpiece 88 formed by the annular transition surface 93 can in principle also be formed by a corresponding gradation of the embossing die 80, by tapering the central bore downward, so that it has the inside diameter in the region of the first stamp 90 of the workpiece 88.
  • the first punch must then, like the second punch 96, have an outer diameter corresponding to the inner diameter of the workpiece 88 over its entire length. If the first punch is also lengthened in the axial direction, so that it protrudes downward from the embossing mold 80, there is the advantage that both punches are used for the axial compression of the plastic element Contribute, whereby the radial pressure distribution on the workpiece 88 is uniform over the entire axial range.
  • the device according to FIG. 7 consists of a radially symmetrical embossing mold or die 110 which is composed of two half-shells 112, 113 which have a common contact surface 114 oriented in the axial direction and perpendicular to the cutting plane. Both half-shells enclose a cavity 116, which is arranged rotationally symmetrically about an axis 18 and has an embossed contour 120 on the inside with a bead 121 on one side.
  • the cavity 116 is closed at its front lower end by a base surface 122 formed by two sharks 112, 113.
  • the cavity 116 does not necessarily have to be rotationally symmetrical, but can also have, for example, an embossed contour with one or more branches on one or more sides, into which the bulges of a hollow body extend during the forming. Such branches can also be provided with a counter-stamp in order to make the forming process more controllable.
  • FIG. 7 also shows a hollow body 124 inserted into the two half-shells 112, 113 of the die 110, which is centered in a lower cylindrical section 126 of the embossing contour 120.
  • the hollow body 124 is a piece of pipe cut to length.
  • An intrinsically stable, deformable force transmission means 128 is introduced into the interior of the hollow body 124.
  • the force transmission means can be, for example, an elastic plastic element with resilience, a kneadable, pasty paste or also be a plastically deformable wax-containing stopper as a physical component or contain another plastically deformable carrier substance.
  • the power transmission means 128 rests with its front lower end on the base surface 122, it almost completely fills the cavity in the interior of the hollow body 124 and projects beyond the hollow body in the axial direction, so that it extends over the frontal upper end 130 of the hollow body before the hollow body is widened Hollow body 124 protrudes.
  • a second punch 132 is located on the top of the upwardly open side of the die 110.
  • the second punch 132 has a pressure plate 133 and a pressure sleeve 134 embedded therein.
  • the lower end of the pressure sleeve 134 rests on the upper end 130 of the hollow body 124.
  • a first punch 138 is aligned and guided coaxially to the central axis 118 of the die 110 in a bore penetrating the second punch 132 centrally.
  • the first punch projects so far into the die that it rests with its lower end 140 on the force transmission means 128.
  • the contact surface between the first punch 138 and the force transmission means can, depending on the volume required for the force transmission means, also outside the die, for example in the area of the punch guide, i.e. lie in the hole.
  • the pressure plate 133 or the second punch 132 can even be extended upwards with a cylindrical attachment for the purpose of increasing the volume.
  • the device according to FIG. 7 also has two dowel pins 142, 143, which serve to guide the second punch 132 and relieve the pressure sleeve 134 with regard to any attacking shear or buckling forces during the downward movement of the second punch 132.
  • the guide bushing 134 fulfills various tasks in the exemplary embodiment shown. On the one hand, it is in the initial state before the hollow body 124 is formed with its tapered lower section 36 in the upper section. cut the embossed contour 120 and thus forms an additional centering and axial guidance for the movement of the second stamp by means of the outer circumference. Furthermore, the axial force for guiding wall material during the expansion of the hollow body 124 is introduced, on the one hand, and the cavity between the outer circumference of the hollow body 114 and the embossing contour 120 by positive engagement, on the one hand, via the end face contact surface between the guide bush 134 and the upper end face end 130 of the hollow body 124 the two face-side contact surfaces 130 are sealed off from the cavity in the interior of the hollow body.
  • both punches 132, 138 are shown in a predetermined end position after the shaping process has ended.
  • the end position of the first punch 132 is predetermined by the contact of the pressure plate 133 on the die 110.
  • the pressure sleeve 134 projects as far into the interior of the die 10 as the change in length of the hollow body 124 caused by the widening ideally requires, while maintaining its original wall thickness.
  • the first punch 38 is lowered into the die 110 as far as the volume of the fully expanded hollow body 124 requires, taking into account the compressibility of the force transmission means 128.
  • a pipe piece 124 cut to length is first inserted into the two half-shells 112, 113.
  • a prefabricated elastically deformable plastic stopper with resilience or a plastically deformable wax stopper 128 is inserted into the pipe section 124.
  • the wax plug can also contain other active media such as sand.
  • the second punch 132 is then moved in the direction of the die 110 until the pressure sleeve 134 is open meets the front upper end 130 of the pipe section 124 and acts on it with slight but sufficient pressure to seal the cavity in the interior of the pipe section 124.
  • the first punch 138 is then moved until it hits the inserted plastic / wax plug.
  • Both punches 132, 138 are then moved hydraulically in such a way that the pressure acting on the front-side upper end 130 of the tube piece 124 during expansion is equal to the pressure which acts on the plastic / wax plug from the first punch 138.
  • the pressing process is carried out in this form until a defined maximum pressure is reached, which is determined by the fact that the outer circumference of the tube piece 124 lies completely against the embossing contour 120 of the die 110.
  • an increased pressure can again be applied to the force transmission means 128 by means of the first punch 138 in order to ensure the desired shape of the pipe section 124.
  • Both stamps can be moved by means of an automatic control.
  • the first and second punches 138, 132 move back hydraulically, and at the same time the two half-shells 112, 113 of the die 110 are opened.
  • the finished pressed pipe section 124 can then be removed from one of the half shells 112, 113 and the plastic / wax filling can be removed from the pipe section 124.
  • the second embodiment of a tool for carrying out the patented method according to FIG. 8 has a die 110 ', which in turn is composed of two half-shells 112', 113 'and annularly surrounds a central, continuous cavity 116'.
  • the cavity 116 ' is arranged rotationally symmetrically about an axis 118' and has an embossed contour 120 'on the inside around it with two beads 121', 121 ".
  • This die is suitable for simultaneously closing the two ends of an inserted hollow body 124 'in one operation wide.
  • a first punch 138 ', 138 "and coaxially a second punch 132', 132" consisting of a pressure plate 133 ', 133 "and a pressure sleeve 134', 134" are provided on both axial ends of the die.
  • An intrinsically stable, deformable force transmission element 128 ' is inserted into the hollow body 124', which axially projects over the hollow body 124 'in the initial state before the deformation on both front ends 130', 131 '.
  • the die 110 ' Due to the continuous cavity, the die 110 'now has no base area.
  • the two second punches 132 ', 132 "are therefore hydraulically controlled axially at the beginning of the forming process until the hollow body 124' has assumed a position defined relative to the die 110 'and its inner cavity at both ends 130', 131 'by means of the Pressure sleeves is sealed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochdruckformung, bei dem ein erster Stempel (26, 26´, 74, 90, 96, 138, 138´) verfahren und dabei eine Kraft auf ein Kraftübertragungsmittel ausgeübt wird, welches die Kraft auf ein in eine Prägeform (10, 10´, 60, 80, 110, 110´) eingelegtes Werkstück (36, 36´, 56, 70, 124, 124´) überträgt und dieses gegen eine Prägekontur (40, 40´, 68, 120) der Prägeform (10, 10´, 60, 80, 110, 110´) andrückt, wobei das Kraftübertragungsmittel aus wenigstens einem elastisch verformten Kunstoffelement (32, 32´, 34, 34´, 58, 72, 98, 128, 128´) mit Rückstellvermögen besteht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Hochdruckumformung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochdruckumformung , bei der ein erster Stempel verfahren und dabei eine Kraft auf ein Kraftübertragungsmittel ausgeübt wird, welches die Kraft auf ein in eine Prägeform eingelegtes Werkstück überträgt und dieses gegen eine Prägekontur der Prägeform andrückt.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Weiten von zylindrischen Hohlkörpern, insbesondere länglichen Hohlprofilen, mittels In- nenhochdurckumformung.
Bei Blechumformungsverfahren werden je nach gewünschter Formgebung des Fertigteils unterschiedliche Werkstückrohlinge und unterschiedliche Werkzeuge verwandt. Beispiele hierfür sind das Ziehen oder das Biegen ebener Blechzuschnitte zu Rohteilen. Bekannte Werkzeuge für das Ziehen bestehen bei einfachen Konturen im Wesentlichen aus einem Stempel und einem Ziehring oder bei aufwändigeren Konturen aus einem Stempel und einem entsprechenden Gegendruck. In letzterem Fall besitzen sowohl der Stempel als auch der Gegendruck eine der gewünschten Form des Fertigteils entsprechende Prägekontur. Der Herstellungsaufwand solcher Prägestempel und Gegendrucke ist sehr hoch und die Werkzeuge sind dementsprechend teuer.
Beim Weiten zylindrischer Hohlkörper, insbesondere beim Herausformen von ringförmigen Sicken an deren Umfang, wie es beispielsweise bei der Verarbeitung metallischer Rohre zu Muffen für Press-Fittings geschieht, werden meist Verfahren der Fluid-Innenhochdruckumformung, oder der Rohrendumformtechnik, wie z.B. Pressen, Aufweiten, Walzen verwendet, vgl. DE 44 10 146 A1 , DE 43 36261 A1.
Bei einem solchen bekannten Verfahren werden mehrere Arbeitsschritte benötigt. Im ersten Schritt wird das Rohrende mit einem Dorn aufgeweitet. In einem zweiten Schritt wird das aufgeweitete Ende des Rohres in einem Umformwerkzeug in axialer Richtung gestaucht, wodurch es die Kontur des Umformwerkzeuges annimmt.
Für. die Fluid-Innenhochdruckumformung sind Vorrichtungen bekannt, die eine Zuleitung für die Hydraulikflüssigkeit und einen Stempel zum Abdichten des Hohlraums im Inneren des Hohlkörpers aufweisen. Der Stempel wird außerdem dazu verwendet, Wandungsmaterial des Hohlkörpers durch bezüglich der Zylinderachse axiale Krafteinleitung in Richtung der Stelle der Aufweitung nachzuschieben, um eine Verjüngung des Wandquerschnitts zu vermeiden. Da die Hydraulikflüssigkeit unter sehr hohem Druck eingebracht wird und eine hohe Viskosität aufweist, ist der zur Abdichtung notwendige Aufwand insbesondere bei der Umformung von Werkstücken aus Edelstahl oder Kupfer auf Grund hoher erforderlicher Drücke bis zu 10000 bar sehr groß. Dies und die für dieses Verfahren erforderliche Fluid- hochdruck-Erzeugungsanlage macht ein entsprechendes Werkzeug sehr teuer. Ein anderes Problem bei der Fluid-Innenhochdruckumformung ist, dass der Wand- querschnitt des Hohlköφers an der Stelle der Aufweitung abnimmt und somit eine Schwächung des Materials bildet.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, das/die kostengünstig ist und zugleich eine prozesssichere Umformung insbesondere von Werkstücken aus Metall und von zylindrischen Hohlköφern ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Kraftübertragungsmittel aus wenigstens einem elastisch verformbaren Kunststoffelement mit Rückstellvermögen besteht. Das elastisch verformbare erste Kunststoffelement überträgt bei direkter oder mittelbarer Beaufschlagung einer Kraft durch einen beispielsweise zylindrischen Stempel mit ebener Stempelfläche diese Kraft auf das Werkstück und drückt es gegen die Kontur einer Prägeform an. Während der Umformung verformt sich der Kunststoff solange elastisch, bis das Werkstück - seinerseits plastisch verformt - der Kontur folgend an der Prägeform anliegt und alle zuvor dazwischenliegenden Hohlräume ausgefüllt sind. Im Gegensatz zu den bekannten Umformungswerkzeugen genügt daher auch bei komplizierteren Prägekonturen ein einfacher Stempel ohne Prägekontur, da sich das Kraftübertragungsmittel automatisch der Kontur der Prägeform anpasst. Es entfallen also die Kosten für das Anfertigen eines speziellen Prägestempels.
Das erfindungsgemäße Verfahren/die Vorrichtung bietet gegenüber einem hydraulischen Hochdruckumformungswerkzeug den Vorteil, dass es sich bei dem Kraftübertragungsmittel um einen Kunststoff, also einen Festkörper handelt, der trotz Verformbarkeit keine besonderen Maßnahmen zum Abdichten des Werkzeuges erfordert. Auch dem gegenüber werden die Kosten für das Werkzeug gering gehalten. Als vorteilhaft erweist sich das Verfahren/die Vorrichtung dadurch, dass, das elastisch verformbare Kunststoffelement aus Poly-Urethan bzw. Vulkollan® besteht.
Bevorzugt wird bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Weiten von zylindrischen Hohiköφem oder länglichen Hohlprofilen mittels Innenhoch- druckumformung der erste- Stempel derart verfahren, dass das den wenigstens teilweise in den Hohlkörper eingebrachten Kraftübertragungsmittel zur Verfügung stehende Volumen reduziert wird, wodurch sich das Kraftübertragungsmittel im Wesentlichen radial bezüglich der Zylinderachse des Hohlkörpers ausdehnt und den Hohlkörper in Richtung einer diesen umgebenden Matrize weitet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn mittels eines zweiten Stempels ein Druck in a- xialer Richtung auf ein stirnseitiges Ende des Hohlkörpers aufgebracht wird, um Wandungsmaterial des Hohlkörpers während des Weitens nachzuführen.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn beide Stempel hydraulisch verfahrbar und die Stempeldrucke individuell steuerbar sind oder wenn der zweite Stempel mittels einer zu dem Werkstück und dem eingebrachten Kraftübertragungsmittel koaxial bewegliche, mitlaufende Hülse gebildet wird, die während des Weitens durch das Kraftübertragungsmittel reibschlüssig mitgenommen wird und die eine vertikale Kraftkomponente auf das stirnseitige Ende des Hohlkörpers überträgt.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochdruckumformung werden anhand verschie- dener Ausführungsbeispiele aus den im Folgenden beschriebenen Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung;
Fig. 2 einen Vollschnitt derselben Ausführungsform mit eingelegtem Rohling vor der Umformung;
Fig. 3 einen Vollschnitt derselben Ausführungsform mit umgeformtem Werkstück nach der Umformung;
Fig. 4 einen Vollschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung mit eingelegtem Rohling vor der Umformung;
Fig. 5 einen Vollschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ohne Stempelführung;
Fig. 6 einen Vollschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;
Fig. 7 zwei zusammengefügte Halbschnitte eines fünften Beispiels der Vorrichtung zur Ausführung des patentgemäßen Verfahrens, jeweils vor und nach Beendigung der Umformung, mit einer einseitigen Stempelmimik;
Fig. 8 zwei zusammengefügte Halbschnitte einer sechsten Vorrichtung zur Ausführung des patentgemäßen Verfahrens mit einer doppelseitigen Stempelmimik. Die Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung nach der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht aus einer radialsymmetrischen Prägeform 10, die aus zwei Halbschalen 12, 13 zusammengesetzt ist, welche eine gemeinsame in axialer Richtung orientierte Berührungsfläche 14 aufweisen. Die beiden Halbschalen schließen einen Hohlraum ein und bilden mit ihrer Innenfläche die nicht dargestellte Prägekontur. Oberhalb der beiden Halbschalen 12, 13 befindet sich eine ebenfalls zur Prägeform 10 gehörende Stempelführung 18, die einen unteren Sockel 20 aufweist und mit diesem Sockel auf den Halbschalen 12, 13 aufsitzt. Durch eine Bohrung 24 in der Stempelführung 18 ragt ein erster Stempel 26 in die Prägeform 10 hinein. Der Stempel ist im Wesentlichen ein Zylinder, der eine zentrische koaxiale Bohrung 28 aufweist. Die Bohrung dient zur Aufnahme eines bis zur Oberkante der Stempelführung 18 reichenden, in dieser Darstellung nicht erkennbaren Stößels 30 mit entsprechendem Durchmesser. Anstelle zweier in Umfangsrichtung einander ergänzender Halbschalen 12, 13 kann die Prägeform auch aus mehreren weiteren Schalenteile zusammengesetzt sein.
Der Vollschnitt in Fig. 2 zeigt die innen liegenden Details desselben Ausführungsbeispiels. Der Schnitt verläuft senkrecht zu der Berührungsfläche 14 zwischen den zusammengefügten Halbschalen 12, 13. Alle übrigen dargestellten Elemente der Vorrichtung sind rotationssymmetrisch um die Achse 15.
Hierzu gehören oberhalb der Halbschalen 12, 13 die Stempelführung 18, in die von oben der erste Stempel 26 eingeführt ist. Die Fig. 2 zeigt weiterhin einen in die Prägeform eingelegten und nach unten aus der Prägeform herausragenden zylindrischen Hohlkörper in Form eines rohrförmigen Rohlings 36. Der Rohling 36 ist radial von der Kontur 40 der Prägeform 10 umgeben und schließt zusammen mit dieser einen Hohlraum 42 ein. Ein erstes verformbares Kunststoffelement 34 ist zylinderförmig vorgeformt und weist einen dem Innendurchmesser des Rohlings 36 entsprechenden Querschnitt auf. Es ragt mit seinem unteren axialen Abschnitt in den Hohlraum im Inneren des Rohlings 36 hinein und füllt diesen in axialer Richtung im Bereich der ihn umgebenden Prägekontur aus. Darüber in der Bohrung 24 der Stempelführung 18 befindet sich ein zweites elastisch verformbares Kunststoffelement 32, das an seinem unteren Ende kegelstumpfförmig angeschrägt ist. Es liegt mit seiner unteren Stirnfläche auf einem ersten verformbaren Kunststoffelement 34 auf.
Im Zentrum der Vorrichtung befindet sich ein Stößel 30, der an einer an seinem oberen Ende befindlichen, nicht dargestellten Aufhängevorrichtung aufgehängt und somit in axialer Richtung fixiert werden kann. Am unteren Ende weist der Stößel 30 ein einstückig angeformtes verdicktes Zentrierstück 31 auf. Das Zentrierstück 31 ist in einen nicht umzuformenden axialen Abschnitt 44 des Rohlings 36 eingelassen, um den Rohling 36 vor und während der Verformung zu zentrieren und in seiner radialen Position zu fixieren. Die obere Stirnfläche des Zentrierstücks 31 bildet eine ringförmige Auflagefläche 33 für das erstes elastisch verformbare Kunststoffelement 34. Sowohl das erste und das zweite verformbare Kunststoffelement 34, 32 als auch der Stempel 26 weisen eine zentrische, koaxiale Bohrung auf, die der Aufnahme des Stößels 30 dient. Der Stößel 30 übernimmt dadurch beim Herabsenken des ersten Stempels 26 während des Umformungsvorgangs neben der Zentrierung des Rohlings 36 bzw. Werkstücks auch die Führung des Stempels sowie beider Kunststoffelemente 32, 34.
Auf der oberen Stirnfläche 37 des Rohlings 36 liegt ein Ring 46 auf, der in axialer Richtung koaxial zur Stempelführung beweglich ist und radial an seinem Umfang durch eine Führungsbuchse 48 geführt wird. Die Führungsbuchse 48 ist in eine entsprechende Passung der Halbschalen 12 und 13 eingelassen und schließt mit ihrer oberen Stirnfläche bündig mit den Halbschalen ab, so dass sich zwischen ihr und der Stempelführung 18 im montierten Zustand kein Spalt bildet. Der Ring 46 und die Führungsbuchse 48 bilden einen von oben nach unten gesehen sich verjüngenden Trichter, der an seinem oberen Ende den Radius der Bohrung 24 der Stempelführung 18 und an seinem unteren Ende den inneren Radius des Rohlings 36 aufweist. Das zweite verformbare Kunststoffelement 32 ragt soweit in den Trichter hinein, dass es mit dem Ring 46 eine gemeinsame Berührungsfläche aufweist.
Die Umformung des Werkstücks wird durch Herabsenken des ersten Stempels 26 mittels einer Presse bewirkt. Dadurch wird ein Druck auf das zweite Kunststoffelement 32 ausgeübt, das den Druck senkrecht nach unten überträgt und sich dabei gleichzeitig verformt, so dass sein Umfang wächst, bis es den Hohlraum zwischen seiner Außenseite und der Bohrungsinnenwand der Stempelführung 18 ausfüllt. Der Druck kann danach nur durch eine Expansion nach unten, in Richtung des ersten Kunststoffelements 34 weiter abgeleitet werden. Das erste Kunststoffelement liegt auf der Auflagefläche 33 des mit seiner Aufhängevorrichtung in der Presse aufgehängten und somit axialer Richtung fixierten Stöpels 30 auf. Das erste Kunststoffelement 34 wird durch den vom zweiten Kunststoffelement übertrage-
* nen Druck zunächst ebenfalls in axialer Richtung gestaucht und dehnt sich gleichzeitig in radialer Richtung aus. Bei wachsendem Druck verformt es dabei das Werkstück in radialer Richtung auswärts.
Eine Vergrößerung des Umfangs des Werkstückes bewirkt zugleich eine Verkürzung in axialer Richtung. Der axiale Druck, den das zweite Kunststoffelement 32 teils reib- und teils formschlüssig auf den axial beweglichen Ring 46 ausübt, wird auf das obere stirnseitige Ende 37 des Werkstücks übertragen, so dass das Werkstück während der Umformung in Richtung der unteren Öffnung der Prägeform 10 gedrückt und dabei Wandungsmaterial des Werkstücks nachgeführt wird. Eine nicht dargestellte, außerhalb der Prägeform 10 befindliche und gegenüber dieser ortsfeste Auflage für das Werkstück 36 verhindert das Verschieben des Werkstückes nach unten. Der Ring 46 bildet also den Niederhalter für das Werkstück und somit einen zweiten Stempel. Ein zusätzlicher Niederhalter, wie er bei bekannten Umformungswerkzeugen meist benötigt wird, und der damit verbundene mechanischen Aufwand zum Betätigen der Niederhaltefunktion und anschließendem Auslösen des Umformvorgangs entfällt. Des Weiteren erfüllt der Ring 46 eine Dicht- funktion: Durch die passgenaue Führung des Ringes 46 in der Führungsbuchse 48 und durch die ebene Auflage des Ringes auf dem Werkstück ist der Hohlraum 42 zwischen dem Rohling 36 und der Kontur 40 der Prägeform 10 gegen ein Eindringen des Kunststoffes während der Verformung unter hohem Druck abgedichtet. Dabei ist durch den Innendurchmesser des Rings 46, der kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Rohlings ist, und dessen Außendurchmesser, der größer oder gleich dem Querschnitt der Prägekontur 40 ist, sichergestellt, dass der Ring 46 in jedem Verformungsstadium auf dem Werkstück aufliegt.
Der zum Andrücken des Werkstückes 36 bzw. zum Nachführen von Wandungsmaterial erforderliche Druck kann durch eine entsprechend ausgewählte Größe der Auflagefläche des zweiten Kunststoffelements 32 auf dem beweglichen Ring 46 frei gewählt werden. Ist also ein größerer Anpressdruck erforderlich, so muss der Außendurchmesser des Rings 46 und des zweiten Kunststoffelementes 32 bei gleichbleibender Stempelkraft nur entsprechend größer gewählt werden.
Der Ring 46 ist ferner im Bereich des Außendurchmessers seiner auf dem Werkstück aufliegenden Stirnfläche angefasst, damit eine radial nach innen gerichtete Bördelung des Werkstückes vermieden wird.
In Fig. 3 ist der Endzustand des Umformungsprozesses dargestellt, in dem beide elastischen Kunststoffelemente 32', 34' - noch unter Druck befindlich - in radialer Richtung, eine Ausdehnung erfahren haben und in axialer Richtung kontrahiert sind. Das Werkstück ist zu dem Fertigteil 36' verformt und folgt der Kontur der Prägeform. Der Hohlraum 42 in Fig. 1 zwischen Rohling 36 und Prägekontur 40 ist nun vollständig durch das Fertigteil 36' bzw. das entsprechend verformte Kunststoffelement 34' ausgefüllt. Ebenso ist der Hohlraum, der das zweite Kunststoffelement 32 vor der Umformung im Inneren der Stempelführung radial umgab, durch das zweite Kunststoffelement 32' ausgefüllt. Der Ring 46 ist auf Grund des vertikal abwärts gerichteten Druckes in axialer Richtung so weit nach unten ver- schoben, wie es die Längenkontraktion des Werkstückes bedingt durch seine radiale Ausdehnung erfordert.
Nach der Umformung wird der erste Stempel 26 wieder gelöst, die Kunststoffelemente 32', 34' entspannen sich und gelangen aufgrund ihrer Elastizitätseigenschaften wieder in ihren Ausgangszustand 32, 34. Die Kunststoffelemente können nun beispielsweise mit Hilfe des Stößels 30, auf dem sie aufliegen, aus dem Fertigteil 36' bzw. der Prägeform 10 herausgehoben werden. Zum Herauslösen des Fertigteils 36' müssen die beiden Halbschalen 12,13 der Prägeform geöffnet werden.
In einer anderen Ausführungsform, siehe Fig. 4, besteht die Prägeform 10' nur aus den beiden Halbschalen 12', 13', die, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, eine gemeinsame Grenzfläche 14' aufweisen. Die Führung des ersten Stempels 26' wird durch eine entlang der Achse 15' angeordnete, zylindersymmetrische mitlaufende Buchse oder Hülse 50 mit zentrischer Bohrung 51 und analog zum ersten Ausführungsbeispiel durch einen Stößel 30' übernommen. Die mitlaufende Hülse 50 ist ihrerseits in einer zentrischen Passung 54 in der zusammengesetzten Prägeform 10' geführt. Sie weist an ihrem unteren Ende einen verjüngten, zylindrischen Ansatz 52 auf, mit dem sie auf dem zu verformenden Werkstück 56 aufliegt. Der Ansatz 52 hat passgenau den gleichen äußeren Querschnitt wie die Kontur 40' der Prägeform in dem korrespondierenden oberen Abschnitt und ferner einen Innendurchmesser, der etwa dem Innendurchmesser des unverformten Werkstückes 56 entspricht. Das Werkstück 56 ragt wiederum unten aus der Prägeform 10' heraus und sitzt mit seinem unteren Ende auf einer nicht dargestellten, außerhalb der Prägeform 10' befindlichen und gegenüber dieser ortsfesten Auflage auf. Das Werkstück schließt im noch unverformten Zustand mit seiner oberen Stirnfläche bündig mit dem Boden 55 der zentrischen Passung 54 ab. Der Stößel 30' kann wie im vorherigen Ausführungsbeispiel mittels einer nicht dargestellten Aufhängevorrichtung an seinem oberen Ende aufgehängt und somit in axialer Richtung fixiert werden. Er weist ebenfalls ein Zentrierstück 31' auf, auf dessen oberer Auflagefläche 33' das verformbare Kunststoffelement 58 aufliegt. Beim Herabsenken des ersten Stempels 26' wird das Kunststoffelement 58 in axialer Richtung komprimiert und dehnt sich dadurch in radialer Richtung aus. Das Kunststoffelement 58 wird dabei an die Wandung der Bohrung 51 in der mitlaufenden Hülse 50 angedrückt, wodurch ein Reibschluss zwischen dem Kunststoffelement 58τund der mitlaufenden Hülse erzeugt wird, der eine Übertragung der vertikalen Kraftkomponente auf die mitlaufende Hülse und damit auf das obere stirnseitige Ende Rohlings 56 bewirkt. Bei zunehmender Kompression des Kunststoffelements 58 wird der Rohling in radialer Richtung verformt, bis er an der Kontur 40' der Prägeform 12' anliegt. Dabei wirkt die mitlaufende Hülse 50 als zweiter Stempel und Niederhalter des Werkstücks 56, um Wandungsmaterial des Rohlings 56 während des Weitens nachzuführen. Der grundlegende Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist, dass die mitlaufende Hülse 50 zugleich die Stempelführung 18 und den Ring 46 aus Fig. 2 bzw. Fig. 3 ersetzt. Die mitlaufende Hülse dichtet also ferner den Hohlraum zwischen dem noch unverformten Rohling und der Kontur der Prägeform gegen das Eindringen des Kunststoffs während der Verformung ab und übernimmt gleichzeitig die Führung des Stempels.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 stellt eine vereinfachte" Variante einer Vorrichtung zur Innenhochdruckumformung dar. Diese besteht aus zwei Halbschalen 62 und 63, die entlang der Grenzfläche 64 zu einer Prägeform 60 zusammengesetzt sind. Die zusammengesetzte Prägeform ist wiederum rotationssymmetrisch und weist eine auf ihrer Unterseite durch eine Auflagefläche 66 verschlossene Aufnahme mit einer radialen Prägekontur 68 und einem zylindrischen Abschnitt 69 auf. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ragt das Werkstück 70, das mit seiner unteren Stirnfläche auf der Auflagefläche 66 aufsitzt, über den oberen Rand der Prägeform 60 hinaus. Das elastisch verformbare Kunststoffelement 72 ist vollständig in das Werkstück 70 eingelassen und sitzt ebenfalls auf der Auflagefläche 66 auf. Der über die Prägeform 60 hinausragende Teil des Werkstückes 70 dient zugleich als Führung für den Stempel 74 . Das Funktionsprinzip unterscheidet sich außerdem von dem der anderen Ausführungsbeispiele im Wesentlichen dadurch, dass beim Herabsenken des Stempels 74 die radiale Ausdehnung des elastischen Kunststoffelementes 72 eine reibschlüssige Mitnahme des Werkstückes in Richtung der Auflagefläche 66 bewirkt. Auf einen zusätzlichen Niederhalter kann hier auf Grund der Länge der Berührungsfläche zwischen Kunststoffelement 72 und Werkstück 70 verzichtet werden. Darüber hinaus unterscheidet sich das in Fig. 5 gezeigte Werkzeug dadurch, dass auch auf einen Stößel verzichtet wurde und infolgedessen das Kunststoffelement 72 und der Stempel 74 keine zentrische Bohrung aufweisen. Der Stößel ist bei dieser Ausführungsform nicht notwendig, da das Werkstück in dem oberen zylindrischen Abschnitt 69 der Aufnahme ausreichend zentriert ist.
Das Werkstück 70 weist nach der Umformung in der gezeigten Anordnung je eine ausgezogene Muffenform an jedem seiner Enden auf. Dieses Ergebnis wird mit dem in Fig. 5 gezeigten Werkzeug 60 durch Umformen in zwei Arbeitsschritten mit zwischenzeitlichem Umdrehen des Werkstückes erzielt. Es ist ebenso möglich, ein Werkzeug zu erzeugen, das das Ausformen entsprechender Enden in einem Arbeitsschritt ermöglicht. Hierzu muss die Prägeform nur zwei entsprechende radiale Konturen in gewünschtem Abstand an den entgegengesetzten Enden der Prägekontur aufweisen.
In Fig. 6 ist eine Vorrichtung mit einer aus zwei Halbschalen 82, 83 zusammengesetzten Prägeform 80, die eine nach oben und unten offene zentrale Bohrung aufweist, dargestellt. Die Berührungsfläche beider Halbschalen verläuft senkrecht zur Bildebene durch die zentrale Achse 85 und ist in dem dargestellten Schnitt nicht erkennbar. Die Prägekontur der Prageform 80 im Bereich der zentralen Bohrung ist im Gegensatz zu der aus den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht zylindersymmetrisch um die zentrale Achse 85, sondern weist eine einseitige Ausbuchtung 86 auf. Das Werkzeug ist zur Aüsformung einer rohrstumpfartigen seitlichen Aus- halsung an einem rohrförmigen Werkstück 88 vorgesehen. Das Werkstück kann danach in weiteren Arbeitsgängen zu einem T-Stück verarbeitet werden. Das Werkzeug weist femer zwei Stempel 90, 96 auf, von denen der erste Stempel 90 einen ersten zylindrischen Abschnitt 91 mit dem Durchmesser der zentralen Bohrung in der Prägeform 80 und einen zweiten zylindrischen Abschnitt 92 mit einem Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Werkstückes aufweist. Die ringförmige Übergangsfläche 93 zwischen beiden Abschnitten des ersten Stempels 91 dient als Auflage für das Werkstück 88, der zweite Abschnitt 92 als Zentrierstück. Der erste Stempel schließt mit seiner äußeren Stirnfläche 94 bündig mit der Unterseite 87 der Prägeform 80 ab. Die Lage des Werkstücks ist hierdurch bezüglich der Position der Ausbuchtung 86 definiert. Der zweite Stempel 96 hat auf seiner gesamten Länge einen Außendurchmesser, der dem Innendurchmesser des Werkstückes entspricht. Er ist das bewegliche Element des Werkzeuges und überträgt die Kraft zur Kompression des Kunststoffelements 98, das wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel vollständig in dem Werkstück 88 versenkt ist, wodurch auf eine Abdichtung des auf der Außenseite des Werkstücks liegenden Hohlraumes verzichtet werden kann. Durch die radiale Ausdehnung und die in Richtung der Übergangsfläche 93 wirkende Kraft wird wie oben eine reibschlüssige Mitnahme des Werkstückes 88 bewirkt.
Die durch die ringförmige Übergangsfläche 93 gebildete Auflagefläche für das Werkstück 88 kann in einer Abwandlung dieser Ausführungsform prinzipiell auch durch eine entsprechende Stufung der Prägeform 80 gebildet werden, indem die zentrale Bohrung nach unten verjüngt wird, so dass sie im Bereich des ersten Stempels 90 den Innendurchmesser des Werkstücks 88 aufweist. Der erste Stempel muss dann folglich, wie auch der zweite Stempel 96, auf seiner gesamten Länge einen dem Innendurchmesser des Werkstücks 88 entsprechenden Außendurchmesser aufweisen. Wird der erste Stempel außerdem in axialer Richtung verlängert, so dass er aus der Prägeform 80 nach unten herausragt, ergibt sich der Vorteil, dass so beide Stempel zur axialen Kompression des Kunststoffelements beitragen, wodurch die radiale Druckverteilung auf das Werkstück 88 über den gesamten axialen Bereich gleichmäßig ist.
Die Figuren, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, zeigen jeweils zur Hälfte links eine Vorrichtung zur Ausführung des patentgemäßen Verfahrens mit eingelegtem Hohlköφer vor der Umformung und rechts dieselbe Vorrichtung nach der Umformung des Hohlköφers.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 7 besteht aus einer radialsymmetrischen Prageform oder Matrize 110, die aus zwei Halbschalen 112, 113 zusammengesetzt ist, welche eine gemeinsame in axialer Richtung und senkrecht zur Schnittebene orientierte Berührungsfläche 114 aufweisen. Beide Halbschalen schließen einen Hohlraum 116 ein, der rotationssymmetrisch um eine Achse 18 angeordnet ist und innenumfänglich eine Prägekontur 120 mit einseitiger Sicke 121 aufweist. Der Hohlraum 116 ist an seinem stirnseitigen unteren Ende durch eine von beiden Haibschaien 112, 113 gebildete Grundfläche 122 abgeschlossen.
Der Hohlraum 116 muss nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch sein, sondern kann beispielsweise auch eine Prägekontur mit einer oder mehreren ein- oder mehrseitigen Abzweigen aufweisen, in die sich die Ausbauchungen eines Hohlkörpers während der Umformung erstrecken. Solche Abzweige können zusätzlich auch mit einem Gegenhaltestempel versehen sein, um den Umformprozess kontrollierbarer zu gestalten.
Figur 7 zeigt ferner einen in die beiden Halbschalen 112, 113 der Matrize 110 eingelegten Hohlkörper 124, der in einem unteren zylindrischen Abschnitt 126 der Prägekontur 120 zentriert ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper 124 ein auf Länge zugeschnittenes Rohrstück. In das Innere des Hohlkörpers 124 eingebracht befindet sich ein eigenstabiles, verformbares Kraftübertragungsmittel 128. Das Kraftübertragungsmittel kann beispielsweise ein elastisches Kunststoffelement mit Rückstellvermögen, eine knetbare, zähpastöse Masse oder auch ein plastisch verformbarer wachshaltiger Stopfen als körperhaftes Bauteil sein oder eine andere plastisch verformbare Trägersubstanz enthalten. Das Kraftübertragungsmittel 128 liegt mit seinem stirnseitigen unteren Ende auf der Grundfläche 122 auf, es füllt den Hohlraum im Inneren des Hohlkörpers 124 nahezu vollständig aus und überragt den Hohlkörper in axialer Richtung, so dass es vor dem Weiten des Hohlkörpers über das stirnseitige obere Ende 130 des Hohlkörpers 124 hinausragt.
Auf der Oberseite der nach oben offenen Seite der Matrize 110 befindet sich ein zweiter Stempel 132. Der zweite Stempel 132 weist eine Andrückplatte 133 und eine darin eingelassene Andrückhülse 134 auf. Die Andrückhülse 134 sitzt mit ihrem stirnseitigen unteren Ende auf dem stirnseitigen oberen Ende 130 des Hohlkörpers 124 auf. In einer den zweiten Stempel 132 zentrisch durchsetzenden Bohrung ist ein erster Stempel 138 koaxial zu der zentrischen Achse 118 der Matrize 110 ausgerichtet und geführt. Der erste Stempel ragt so weit in die Matrize hinein, dass er mit seinem unteren stimseitigen Ende 140 auf dem Kraftübertragungsmittel 128 aufliegt. Die Berührungsfläche zwischen dem ersten Stempel 138 und dem Kraftübertragungsmittel kann je nach erforderlichem Volumen für das Kraftüberta- gungsmittel auch außerhalb der Matrize beispielsweise im Bereich der Stempelführung, d.h. in der Bohrung liegen. Die Andrückplatte 133 bzw. der zweite Stempel 132 kann zum Zweck der Volumenvergrößerung sogar mit einem zylindrischen Ansatz nach oben verlängert sein.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 7 weist ferner zwei Passstifte 142, 143 auf, die zur Führung des zweiten Stempels 132 dienen und die Andrückhülse 134 bezüglich eventuell angreifender Scher- oder Knickkräfte während des Abwärtsbewegens des zweiten Stempels 132 entlasten.
Die Führungsbuchse 134 erfüllt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel verschiedene Aufgaben. Zum einen ist sie in dem Ausgangszustand vor der Umformung des Hohlkörpers 124 mit ihrem verjüngten unteren Abschnitt 36 in den oberen Ab- schnitt der Prägekontur 120 eingeführt und bildet somit mittels des äußeren Um- fangs eine zusätzliche Zentrierung und axiale Führung für die Bewegung des zweiten Stempels. Des Weiteren wird über die stirnseitige Berührungsfläche zwischen der Führungsbuchse 134 und dem oberen stirnseitigen Ende 130 des Hohlkörpers 124 einerseits die axiale Kraft zum Nachführen von Wandungsmaterial beim Weiten des Hohlkörpers 124 eingeleitet und zugleich der Hohlraum zwischen dem Außenumfang des Hohlköφers 114 und der Prägekontur 120 durch Formschluss der beiden stimseitigen Berührungsflächen 130 gegenüber dem Hohlraum im Inneren des Hohlkörpers abgedichtet. Außerdem ist es die Aufgabe der Führungsbuchse 134, den ersten Stempel 138 koaxial zur Bewegungsrichtung des zweiten Stempels 132 zu führen und zugleich den Hohlraum im Inneren des Hohlkörpers 124 gegenüber der Umgebung ausreichend abzudichten, um Ausdringen des Kraftübertragungsmittels 128 zu verhindern.
In der rechten Hälfte von Fig. 7 sind beide Stempel 132, 138 in einer vorgegebenen Endposition nach Beendigung des Umformvorgangs dargestellt. Die Endposition des ersten Stempels 132 ist durch die Auflage der Andrückplatte 133 auf der Matrize 110 vorgegeben. Dabei ragt die Andrückhülse 134 so weit in das innere der Matrize 10, wie die durch das Weiten verursachte Längenänderung des Hohlkörpers 124 idealerweise unter Beibehaltung dessen ursprünglicher Wandstärke erfordert. Der erste Stempel 38 ist so weit in die Matrize 110 abgesenkt, wie es das Volumen des fertig aufgeweiteten Hohlkörpers 124 unter Berücksichtigung der Kompressibilität des Kraftübertragungsmittels 128 erfordert.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in die beiden Halbschalen 112, 113 ein auf Länge zugeschnittenes Rohrstück 124 eingelegt. In das Rohrstück 124 wird beispielsweise ein vorgefertigter elastisch verformbarer Kunststoffstopfen mit Rückstellvermögen oder ein plastisch verformbarer Wachsstopfen 128 eingeführt. Der Wachsstopfen kann auch noch weitere Wirkmedien wie zum Beispiel Sand beinhalten. Danach wird der zweite Stempel 132 in Richtung der Matrize 110 verfahren, bis die Andrückhülse 134 auf das stirnseitige obere Ende 130 des Rohrstücks 124 trifft und mit geringem aber ausreichenden Druck darauf wirkt, um den Hohlraum im Inneren des Rohrstücks 124 abzudichten. Anschließend wird der erste Stempel 138 verfahren, bis er auf den eingelegten Kunststoff-/Wachsstopfen trifft. Beide Stempel 132, 138 werden danach hydraulisch gesteuert derart verfahren, dass der auf das stimseitige obere Ende 130 des Rohrstückes 124 während des Weitens wirkende Druck gleich dem Druck ist, der von dem ersten Stempel 138 auf den Kunststoff-/Wachsstopfen wirkt. Der Pressvorgang wird in dieser Form so weit ausgeführt, bis ein definierter maximaler Druck erreicht wird, der dadurch bestimmt ist, dass der Außenumfang des Rohrstücks 124 vollständig an der Prägekontur 120 der Matrize 110 anliegt.
In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann abschießend, nachdem der zweite Stempel die vorgegebene Endposition erreicht hat, auf das Kraftübertragungsmittel 128 nochmals mittels des ersten Stempels 138 ein erhöhter Druck aufgebracht werden, um die gewünschte Ausformung des Rohrstückes 124 sicherzustellen. Beide Stempel können mittels einer automatischen Regelung verfahren werden.
Nach Beendigung des Pressvorgangs fahren der erste und der zweite Stempel 138, 132 hydraulisch zurück, und gleichzeitig werden die beiden Halbschalen 112, 113 der Matrize 110 geöffnet. Das fertig gepresste Rohrstück 124 kann dann aus einer der Halbschalen 112, 113 entnommen und die Kunststoff-/Wachsfüllung aus dem Rohrstück 124 entfernt werden.
Die zweite Ausführungsform eines Werkzeugs zur Durchführung des patentgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 8 weist eine Matrize 110' auf, die wiederum aus zwei Halbschalen 112', 113' zusammengesetzt ist und einen zentrischen durchgehenden Hohlraum 116' ringförmig umschließt. Der Hohlraum 116' ist rotationssymmetrisch um eine Achse 118' angeordnet und weist innenumfänglich eine Prägekontur 120' mit zwei Sicken 121', 121" auf. Diese Matrize ist dazu geeignet, in einem Arbeitsgang die beiden Enden eines eingelegten Hohlkörpers 124' gleichzeitig zu weiten. Hierzu sind jeweils an beiden axialen Enden der Matrize ein erster Stempel 138', 138" und koaxial ein zweiter Stempel 132', 132" bestehend aus einer Andrückplatte 133', 133" und einer Andrückhülse 134', 134" vorgesehen. In den Hohlkörper 124' ist ein eigenstabiles, verformbares Kraftübertragungselement 128' eingelegt, das den Hohlkörper 124' im Ausgangszustand vor der Umformung axial auf beiden stirnseitigen Enden 130', 131' überragt.
Die Matrize 110' weist auf Grund des durchgehenden Hohlraums nunmehr keine Grundfläche auf. Die beiden zweiten Stempel 132', 132" werden deshalb zu Beginn des Umformvorgangs hydraulisch gesteuert axial Verfahren bis der Hohlkörper 124' eine relativ zu der Matrize 110' definierte Position eingenommen hat und dessen innerer Hohlraum an beiden stirnseitigen Enden 130', 131' mittels der Andrückhülsen abgedichtet ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Hochdruckumformung, bei dem ein erster Stempel (26, 26', 74, 90, 96, 138, 138' 138') verfahren und dabei eine Kraft auf ein Kraftübertragungsmittel ausgeübt wird, welches die Kraft auf ein in eine Prägeform (10, 10', 60, 80, 110, 110') eingelegtes Werkstück (36, 36', 56, 70, 124, 124') überträgt und dieses gegen eine Prägekontur ( 40, 40', 68, 120) der Prägeform (10, 10', 60, 80, 110, 110') andrückt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel aus wenigstens einem elastisch verformbaren Kunststoffelement (32, 32', 34, 34', 58, 72, 98, 128, 128' ) mit Rückstellvermögen besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Kunststoffelement (32, 32', 34, 34', 58, 72, 98 128, 128') aus Poly-Urethan oder Vulkollan® besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Weiten von zylindrischen Hohlkörpern (36, 36', 56, 70, 124, 124') oder länglichen Hohlprofilen, mittels Innenhochdruck- umformung, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahren des ersten Stempels (26, 26', 74, 90, 96. 138, 138', 138")das dem wenigstens teilweise in den Hohlkörper (36, 36', 56, 70, 124, 124') eingebrachten Kraftübertragungsmittel zur Verfügung stehende Volumen reduziert wird, wodurch sich das Kraftübertragungsmittel im Wesentlichen radial bezüglich der Zylinderachse des Hohlköφers (36, 36', 56, 70, 124, 124') ausdehnt und den Hohlkörper in Richtung der diesen umgebenden Prägeform (10, 10', 60, 80, 110, 110') weitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3*.dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines zweiten Stempels (132, 132', 132") ein Druck in axialer Richtung auf ein stirnseitiges Ende (37, 130, 130', 130") des Hohlkörpers (36, 36', 56, 70, 124, 124') aufgebracht wird, um Wandungsmaterial des Hohlköφers (36, 36', 56, 70, 124, 124')) während des Weitens nachzuführen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel (26, 26', 74, 90, 96, 138, 138', 138") koaxial in einer durch den zweiten Stempel (132, 132', 132") gebildeten Buchse geführt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stempel (132, 138; 132', 138'; 132", 138") hydraulisch verfahren werden und die Stempeldrucke individuell steuerbar sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Weitens der zweite Stempel (132, 132', 132") soweit an den Hohlkörper (124,124') herangefahren wird, bis er mit geringem Druck auf das stirnseitige Ende (40) des Hohlkörpers (124, 124') wirkt, anschließend der erste Stempel 138, 138', 138") soweit an das Kraftübertragungsmittel (128, 128') herangefahren wird, bis es mit geringem Druck darauf wirkt, und danach die Drucke abwechselnd sukzessive oder gleichzeitig kontinuierlich erhöht werden, bis der zweite Stempel (132, 132', 132") eine vorgegebene Endposition erreicht und der Hohlkörper (124, 124') mit seinem Außenumfang vollständig an einer Prägekontur (120, 120') der Matrize (110, 110') anliegt.
8. Verfahren mindestens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem der zweite Stempel 132, 132', 132") die vorgegebene Endposition erreicht hat, der erste Stempel (138, 138', 138") mit einem erhöhten Druck auf das Kraftübertragungsmittel (128, 128') wirkt, um die Ausformung des Hohlkörpers (124, 124') sicherzustellen.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stempel mittels einer zu dem Werkstück (56) und dem eingebrachten Kraftübertragungsmittel (58) koaxial bewegliche, mitlaufende Hülse (50) gebildet wird, die während des Weitens durch das teilweise axial in die mitlaufende Hülse (50) hineinragende, verformbare Kraftübertragungsmittel (58) reib- und/oder formschlüssig mitgenommen wird und die eine vertikale Kraftkomponente auf das stirnseitiges Ende des Hohlköφers überträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel ein zweites elastisch verformbares Kunststoffelement (32, 32') aufweist, das die Kraft des ersten Stempels (26) beim Weiten des Hohlkörpers (36) auf das erste Kunststoffelement (18) und auf einen den zweiten Stempel bildenden, an dem stirnseitigen Ende (37) des Hohlkörpers (36, 36') anliegenden und in axialer Richtung koaxial zur Stempelführung (34, 34') beweglichen Ring (46) überträgt.
11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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