EP0523215B1

EP0523215B1 - Verfahren zum hydrostatischen umformen von hohlkörpern aus kaltumformbarem metall und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP0523215B1
Application number: EP92903582A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Kaiser
Original assignee: hde Metallwerk GmbH
Current assignee: hde Metallwerk GmbH
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1997-09-03
Anticipated expiration: 2012-01-31
Also published as: BR9204114A; DE4103082C2; DK0523215T3; JP2542320B2; DE59208844D1; JPH05504725A; DE4103082A1; ATE157571T1; WO1992013653A1; EP0523215A1; US5303570A; ES2109339T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydrostatischen Umformen von Hohlkörpern aus kaltumformbarem Metall über die lichte Ausgangsweite des Hohlkörpers hinaus innerhalb einer Formhöhlung eines Gesenks, wobei Druckflüssigkeit von außen in den Hohlkörper eingespeist, ein Verformungsbereich des Hohlkörpers nur mittels der Druckflüssigkeit relativ zur Formhöhlung bewegt und die Hohlkörperwand an die Gravur der Formhöhlung angedrückt wird und wobei der Hohlkörper außerhalb des Verformungsbereichs in mindestens einem Stütz- oder druckflüssigkeitsleitenden Anschlußbereich mindestens einer starren Muffe im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz aufgenommen wird.
Das vorgenannte Verfahren, welches durch die NL-C-80 878 bekannt ist, befaßt sich mit der Herstellung von Krümmern aus dünnwandigen, metallischen Rohren kreisförmigen Querschnitts, betrifft also im weitesten Sinne ein Biegeverfahren für solche Rohre. Die Eigenart jenes bekannten Verfahrens besteht zunächst darin, den axialen Stauchdruck (und damit eine Faltenbildung) beim Biegen auf der Innenseite der neutralen Faser dadurch auf einen vernachlässigbar kleinen Wert zu reduzieren, daß über die Biegestrecke die Rohrwandungen dicht gegeneinander gepreßt werden, das Rohr also abgeplattet wird (s. NL-C-80 878 Spalte 1, Zeilen 39-50, sowie Spalte 2, Zeilen 1-9, in Verbindung mit den Fig. 1-6).
Erst nach dem Zusammenpressen der Rohrwandungen wird das Rohr auf einer Biegevorrichtung gebogen und sodann in ein Gesenk (vgl. NL-C-80 878 Fig. 9 und 10) eingesetzt. In dem Gesenk wird das Rohr mit einem hydrostatischen Innendruck beaufschlagt. Hierdurch erfolgt nur die Wiederherstellung des ursprünglichen Kreisquerschnittes, d.h. die Aufweitung des abgeplatteten Rohres auf den ursprünglichen Durchmesser, durch Einleitung von Druckflüssigkeit über eine starre Muffe in den Innenraum des rohrförmigen Werkstücks hinein. Bei diesem Aufweitvorgang sind beide Rohrenden fest im Gesenk verankert (vgl. NL-C-80 878 Spalte 3, Zeilen 55-75 sowie Spalte 4, Zeilen 1-15). Nach dieser Umformungsphase wird das rohrförmige Werkstück aus dem Gesenk entfernt, rekristallisiert und wieder in dasselbe Gesenk eingelegt. In dem Gesenk erfolgt sodann ein Kalibrieren unter hydrostatischem Innendruck, bei welchem ein Rohrende im Gesenk verankert wird, während dem Einlaßende des Rohres für das hydraulische Medium Gelegenheit gegeben wird, im Gesenk frei hin- und herzugleiten. Sinn dieser Kalibrierarbeit ist es offenbar, den durch den mechanischen Biegevorgang infolge Streckung reduzierten Rohrdurchmesser wiederherzustellen und zugleich die Außenkrümmung des rohrförmigen Werkstücks exakt gegen die Gesenkgravur zu drücken (vgl. NL-C-80 878 Spalte 4, Zeilen 16-41).
Mit der NL-C-80 878 ist daher im wesentlichen nur ein Präzisionsbiegeverfahren aufgezeigt, mit welchem Rohrbögen (beispielsweise für Musik-Blasinstrumente) hergestellt werden können, ohne die Querschnittsform (z.B. Kreisform) des Ausgangs-Rohrkörpers zu verfälschen.
Durch die GB-A-835 259 ist es bekannt, zur Herstellung eines 90°-Rohrkrümmers ein mechanisch vorgebogenes Rohr einzusetzen. Hierbei ist es erforderlich, das Rohr nicht etwa um 90°, sondern vielmehr nur um einen stumpfen Winkel zu biegen, der wesentlich größer als 90°, beispielsweise 129°, bemessen ist (vgl. GB-A-835 259 Seite 2, Zeilen 22-40). Das vorgebogene rohrförmige Werkstück wird sodann zur hydrostatischen Umformung mit beiden Rohrenden fest im Gesenk verankert (vgl. GB-A-835 259 Seite 2, Zeilen 102-104; Zeilen 127-130 sowie Seite 3, Zeilen 5-9 in Verbindung mit Fig. 1 und 2). Bei der hydrostatischen Aufweitung wird das rohrförmige Werkstück am Rohrinnen- und am Rohraußenbogen mit Ausstülpungen versehen, die so plaziert sind, daß zwei durch die Ausstülpungen hindurchgeführte Trennschnitte einen 90°-Krümmer mit einem kurzen und einem langen Krümmerende ergeben.
Mit dem durch die GB-A-835 259 bekannten Verfahren ergibt sich auch eine umformungsbedingte Wandverdünnung, und zwar durch Streckverformung (vgl. GB-A-835 259 Seite 3, Zeilen 35-46).
Das Verfahren gemäß der GB-A-835 259 wird als nachteilig empfunden, weil das erzielbare Maß einer Hohlkörperaufweitung als zu gering und die nach der Aufweitung erzielte Wandstärke als zufällig empfunden werden.
Während demnach die Verfahren gemäß NL-C-80 878 und der GB-A-835 259 Präzisionsbiegeverfahren zur Herstellung faltenfreier Rohrkrümmer betreffen, bei denen eine Aufweitung nur unter dem Gesichtswinkel der Kalibrierung geschieht, bedient man sich in der Praxis bei der Herstellung größerer Aufweitungen an rohrförmigen Hohlteilen anderer bekannter Verfahren.
Ein solches anderes bekanntes Verfahren ist z.B. im "Industrie-Anzeiger" Nr. 20 vom 9.3.1984 / 106. Jg. S. 16 und 17 beschrieben. Zu einem hohen hydrostatischen Druck innerhalb des im Gesenk befindlichen, zu verformenden rohrförmigen Werkstücks tritt bei diesem Verfahren gesondert ein axialer Druck hinzu, der auf die Rohrstirnflächen einwirkt. Jener Axialdruck und die gleichzeitige Wirkung des inneren Drucks haben zur Folge, daß sich die erheblich erweiternde Hohlkörperwand an die Gravur der Form bzw. des Gesenks anlegt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein gerades Rohr in die Formteilungsebene zwischen Ober- und Untergesenk eingelegt und das Gesenk zugestellt. Zwischen Ober- und Untergesenk bleibt aber genügend Raum für zwei diametral gegenüberliegend koaxial zueinander angeordnete horizontal liegende Preßstempel, deren freie Stirnflächen das mit den Preßstempeln fluchtende, zu verformende Werkstück zwischen sich aufnehmen. Es erfolgt sodann die Umformung durch Einführen von Druckflüssigkeit in den Rohrinnenraum bei gleichzeitiger Anwendung des Axialdrucks, wobei die beiden Preßstempel aufeinanderzu bewegt werden.
Indes wird das bekannte Innenhochdruck-Umformverfahren (s. "Industrie-Anzeiger" a.a.O.), welches zwar größere Aufweitungen zuläßt, als nachteilig empfunden, weil eine gewisse Mindestdicke der Hohlkörperwand nicht unterschritten werden kann. Dies liegt im wesentlichen daran, daß der zu verformende Hohlkörper zur Aufnahme des auf seine Stirnflächen einwirkenden relativ hohen Axialdrucks angemessen formsteif ausgebildet sein muß, was nur über den Weg einer hinreichenden Wanddicke zu bewerkstelligen ist.
Außerdem ist das bekannte Innenhochdruck-Umformverfahren immer nur auf Werkstücke beschränkt, bei welchen die Kraftwirkungsgeraden zur Einleitung der Axialkräfte, also Preßstempel und Längsmittelachse des Rohres, exakt koinzidieren. Auf diese Weise können höchstens seitliche sektorielle Ausstülpungen zur Herstellung z.B. von Kreuzstücken oder T-Stücken erzeugt werden. Hierbei verläuft die Längsachse der jeweils in Anpassung an die Gesenk-Gravur sektoriell erzeugten Ausstülpung quer zur gemeinsamen Kraftwirkungsgeraden der Preßstempel und dem Rohres (s. "Industrie-Anzeiger" a.a.O. Seite 17 Bild 4 und 8).
Mit dem bekannten Innenhochdruck-Umformverfahren ist demnach bereits eine gewissen Anzahl von Formen zu erzeugen, welche aber stets an die Rahmenbedingung einer gemeinsamen Kraftwirkungsgeraden der Preßstempel und des zu verformenden Rohres, also an eine grundsätzlich gerade Grundform, gebunden sind. Analog arbeitet ein Innenhochdruck-Umformverfahren, welches durch die EP-B1-0086 480 bekanntgeworden ist. Ebenso arbeitende Verfahren sind in der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb" 1990, Seiten 241-243 (s. dort Seite 242 linke Spalte Abs. 1) sowie in der Zeitschrift "MECHANICAL ENGINEERING" April 1966 Seite 39 (s. dort Fig. 8, rechte Spalte Zeilen 3 und 4) beschrieben. Eine Variante der letztgenannten Verfahren zeigt die DE-A-2118207, wonach während des hydrostatischen Aufweitvorganges sowohl die beide Enden des rohrförmigen Werkstücks umgreifenden Muffen als auch die beiden in Axialrichtung aufeinanderzu beweglichen Gesenkhälften einen zusätzlichen äußeren Axialdruck auf das Werkstück ausüben.
Aus der russischen Veröffentlichung "Hydroplastische Metallbearbeitung", erschienen bei Leningrad "Maschinostroenie", Leningrader Filiale 1988 Sofia "Technika" 1988 ist es gemäß Seite 27 Fig. 2.2. a) und c) von einer keine Muffen aufweisenden Anordnung bekannt, Rohrenden allein durch hydrostatischen Innendruck ringförmig aufzuweiten (Fig. 2.2. a)) oder einseitig mit einer Ausstülpung (Fig. 2.2. c)) zu versehen. Bei der bekannten Anordnung ist der Anschlußbereich zur Zuführung der hydrostatischen Druckflüssigkeit von einer Öffnung (s.Fig. 2.2. a) und c) Position p) eines das Gesenk umgebenden Gehäuses gebildet. Das Gesenk weist zwei in beiden Gesenkhälften integrierte Dichtungen auf, welche die beiden Rohrenden umgreifen, um einen hydraulischen Druckausgleich zu vermeiden. Es soll also verhindert werden, daß hydrostatische Druckflüssigkeit das zu verformende rohrförmige Werkstück außen umkriechen kann. Während der hydrostatischen Umformung kann sich das rohrförmige Werkstück relativ zu den beiden Dichtungen axial verschieben.
In einer anderen Druckschrift, der EP-A3-03 47 369, ist ein Verfahren beschrieben, mit welchem mehr oder weniger theoretisch versucht wird, Hohlkörper allein unter der Wirkung des Druckmittels zu verformen und auch gebogene Formteile herzustellen. Gemäß der EP 03 47 369 A3 weist jede starre Muffe innen eine geschlossene toroidartige hohle Dichtung auf, die stets mit einem Dichtungsdruck beaufschlagt wird, welcher erheblich, und zwar 10-20 %, höher ist als der das Hohlprofil innen beaufschlagende Umformungsdruck (vgl. EP-A3-03 47 369 Spalte 2, Zeilen 44-49, Spalte 3, Zeilen 51-58, sowie Spalte 4, Zeilen 42-64). Dies bedeutet bei jenem bekannten Verfahren eine quasi zangenförmige feste unverschiebliche Aufnahme des Hohlprofils innerhalb der Stütz- und Anschlußbereiche.
Im übrigen ist es von einer nicht zur erfindungsgemäßen Gattung zählenden Anlage (DE-C2-31 05 735) zur druckdichten Befestigung eines Rohres in einem Rohrboden bekannt, über einen muffenlosen Druckaufbaudorn ein Druckmittel in zwei unmittelbar ineinander übergehenden Druckstufen in das zu verformende Rohr einzuleiten.
Ausgehend vom Verfahren gemäß der NL-C-80 878, welches praktisch nur eine Rohraufweitung zum Zwecke der Kalibrierung im Sinne eines ursprünglichen Rohrdurchmessers offenbart, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Aufweitverfahren anzugeben, welches unabhängig vom Verlauf der Längsachse des rohrförmigen Werkstücks einen größeren Aufweitungsgrad als bisher und auch zugleich eine gezielte Wanddickensteuerung gestattet.
Entsprechend der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden, daß die Hohlkörperwand an jedem Stütz- und Anschlußbereich im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz in der Muffe aufgenommen ist und daß an den Stellen, an denen eine hydrostatische Verdünnung der Hohlkörperwand erzeugt werden soll, gezielt ein Abstand zwischen der Außenfläche der Hohlkörperwand und der Innenfläche der Gravur belassen wird und daß der Abstand im wesentlichen proportional dem zu erzielenden Umformungsgrad bemessen wird.
Entsprechend der Erfindung ist der Hohlkörper an jedem Stütz- oder Anschlußbereich im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz in der Muffe aufgenommen. Hierdurch schafft die Erfindung zunächst die Voraussetzung dazu, daß Hohlkörper jeglicher Grundform, auch solche mit beliebig gekrümmter verwickelter Gestalt, hergestellt werden können. Zugleich nutzt die Erfindung die ausschließliche Schiebesitzlagerung des Werkstückes für die Möglichkeit eines großen Aufweitungsgrades, da so während der hydrostatischen Umformung hinreichend viel Werkstoff in die eigentliche Umformungszone nachfließen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet zudem eine Wanddickensteuerung. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß an den Stellen, an denen eine hydrostatische Verdünnung der Hohlkörperwand erzeugt werden soll, gezielt ein Abstand zwischen der Außenfläche der Hohlkörperwand und der Innenfläche der Gravur belassen wird, wobei der Abstand im wesentlichen proportional dem zu erzielenden Umformungsgrad bemessen wird. Die Erfindung stellt demnach die während des Umformvorgangs auftretende Bewegung der Hohlkörperwand relativ zum Gesenk bewußt in eine Abhängigkeit zur gewünschten Dicke der Hohlkörperwand. Unter der Bewegung der Hohlkörperwand relativ zum Gesenk soll dabei jede Bewegung eines beliebigen Punktes der Hohlkörperwand relativ zur Gravur der Formhöhlung verstanden werden.
Ein selbsttätiger Ausgleich der Restwandstärke zwischen Außen- und Innenbogen eines vorgebogenen Rohr-Rohlings erfolgt dadurch, daß der hydrostatische Druck, bedingt durch die größere Wirkfläche im Außenbogen, dazu führt, daß sich der Rohling zunächst im Bereich des Außenbogens an die Gravur anlegt. Die dickere Wand des Innenbogens wird sodann, bedingt durch den im zeitlichen Verlauf höheren Druck, an die dem Innenbogen gegenüberliegende Gravur gepreßt. Dies geschieht grundsätzlich derart, daß jeder Innenradius frei gewählt werden kann und gleichzeitig die Restwandstärke minimiert wird.
Die hydrostatische Umformung in jedem Gesenk erfolgt derart, daß vor Beginn der hydrostatischen Umformung die Druckflüssigkeit zunächst mit einem Fülldruck in den Hohlkörper hineingegeben und sodann eine Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks auf einen Umformungsdruck erfolgt, dessen Druckhöhe ein Vielfaches des Fülldrucks beträgt.
Hierbei kann die Höhe des Umformungsdrucks etwa das 30- bis 50-fache der Höhe des Fülldrucks betragen.
Ein wesentliches Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, Hohlkörper großer Fertigungidentität präzise herstellen zu können. Hierbei ist es wichtig, daß der Werkstoff während der Umformung auch bei etwaigen partiellen Werkstofftoleranzen stets genau und ohne Rückstellung an der Gravur der Formhöhlung anliegt. Um dies mit Sicherheit zu erreichen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß der zur Umformung eines Hohlkörpers erforderliche Umformungsdruck durch einen Zusatzdruck erhöht ist. Die Erfindung arbeitet demnach mit einer Druckreserve. Wenn beispielsweise zur Umformung eines Hohlkörpers an sich ein Umformungsdruck von 1350 Bar genügen würde, sieht die Erfindung eine Druckerhöhung auf beispielsweise 1500 Bar vor. Der Zusatzdruck in Höhe von 150 Bar gewährleistet, daß die Wand des Hohlkörpers stets gleichmäßig, satt und rückstellfrei an der Gravur der Formhöhlung anliegt.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß während der hydrostatischen Umformung die zuvor im Hohlkörper befindliche Luft vorzugsweise zugleich mittels der Druckflüssigkeit komprimiert wird, daß nach abgeschlossener Umformung die Druckversorgung für die Druckflüssigkeit abgeschaltet wird, worauf die komprimierte Luft entspannt und dadurch die Druckflüssigkeit aus dem Hohlkörper hinausgedrängt wird.
Wie bereits erwähnt, lassen sich innerhalb desselben Gesenks nur begrenzte Umformungsgrade erzielen, so daß bei größeren Umformungsgraden mehrere Gesenke erforderlich sind, in denen die Umformung fortschreitend stufenweise vorgenommen wird. Bei allen kaltumformbaren Metallen, die einer an sich wünschenswerten Kaltverfestigung nach jeder Verformungsstufe unterliegen, sieht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, daß nach jeder abgeschlossenen Umformungsstufe, z.B. innerhalb eines gesonderten Gesenks, vor der nachfolgenden gesonderten Umformung im nächsten Gesenk eine Rekristallisation des Hohlkörpers durch Normalglühen erfolgt. Bei St 34 bzw. St 37 beträgt die Temperatur für ein Normalglühen bzw. für eine Normalisierung etwa 920-930°C.
Selbstverständlich bezieht die Erfindung zwischen zwei hydrostatischen Umformungsstufen auch eine rein mechanische Zwischenumformung für den Fall mit ein, daß die Grundform nach bereits erfolgter hydrostatischer Umformung zusätzlich in auffälliger Weise verändert werden müßte.
Ausgehend von der Vorrichtung gemäß der NL-C-80 878, betrifft die Erfindung außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Eine solche vorteilhafte Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch bereitgestellt, daß jede Muffe relativ zum Gesenk translatorisch hin- und herbeweglich ist, und daß jede Muffe zur Aufnahme je eines Stütz- oder Anschlußbereichs des Hohlkörpers einen umgreifenden Schiebesitz bildet. Die druckdichte Aufnahme eines jeden hohlkörperseitigen Stütz- oder Anschlußbereichs stellt sicher, daß der Hohlkörper insgesamt im wesentlichen axialkraftfrei gehalten ist. Diese axialkraftfreie Schiebesitzhaltung gewährleistet in besonders vorteilhafter Weise, daß sich der hohlkörperseitige Verformungsbereich unter der Wirkung des hydrostatischen Innendrucks innerhalb des Gesenk nach Art einer Streckverformung sowohl axial als auch radial verformen und hierbei selbsttätig Werkstoff aus den Haltebereichen "nachziehen" kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung begeben sich aus den Unteransprüchen.
In den Zeichnungen sind das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im einzelnen dargelegt, hierbei zeigt,

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 in Anlehnung an Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt entsprechend der mit III bezeichneten Einkreisung in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 4 mit Fig. 4a, Fig. 5 mit Fig. 5a und Fig. 6 mit Fig. 6a die Umformung eines 180°-Rohrkrümmers in einem Gesenk mit diesbezüglichen Querschnitten des Rohrkrümmers,
Fig. 7-9 die Umformung eines 90°-Rohrkrümmers,
Fig. 10 den gesamten Druckverlauf bei der Umformung eines Werkstückes und
Fig. 11 ein vergrößertes Detail entsprechend der in Fig. 10 mit XI bezeichneten Einkreisung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine schematisch teilweise dargestellte hydrostatische Umformvorrichtung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Umformvorrichtung 10 weist eine Presse 11 mit einem raumfesten Pressentisch 12 und einen hierzu entsprechend dem mit y bezeichneten Doppelpfeil auf - und abbewegliches Pressenoberteil 13 auf, an dessen Unterfläche ein Gesenkoberteil 14 eines Gesenks 16 bewegungseinheitlich befestigt ist. Das Gesenk 16 weist korrelierend zum Gesenkoberteil (Obergesenk) 14 noch ein Gesenkunterteil (Untergesenk) 15 auf.
Eine Formhöhlungshälfte 18 des Obergesenks 14 und Formhöhlungshälfte 19 des Untergesenks 15 ergänzen sich insgesamt zu einer Formhöhlung 17. Die die Innenfläche der Formhöhlung 17, also die Gravur, bildende Fläche ist insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 ist das Gesenk 17 durch Abwärtsbewegung des Pressenoberteils 13 zugestellt. In der Formhöhlung 17 ist ein Rohr (rohrförmiger Hohlkörper) 21 aufgenommen, welches aus einem kaltumformbarem Metall, z.B. aus St 34 oder St 38 bzw. aus einem anderen geeigneten umformbarem Werkstoff besteht.
Das Rohr 21, im folgenden unabhängig von seinem Umformungsgrad stets als rohrförmiger Hohlkörper bezeichnet, ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 an seiner einen Endstirnseite mit einem Rohrboden 22 versehen, während andernends eine offene Stirnseite 23 vorhanden ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist der rohrförmige Hohlkörper 21 beidendig offene Stirnseiten 23 auf.
Zur Beaufschlagung der rohrförmigen Hohlkörper 21 ist eine Einspeisungsmuffe 24 vorhanden, die als Detail in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist.
Die Einspeisungsmuffe 24 ist entlang dem mit x bezeichneten Doppelpfeil translatorisch hin- und herbeweglich.
Wenn nun die Einspeisungsmuffe 24 so weit nach links verschoben wird, bis sie in einer gesenkseitigen Aufnahmehöhlung 25 satt aufgenommen ist, umgreift die Einspeisungsmuffe 24 den Stütz- oder Anschlußbereich 26 des rohrförmigen Hohlkörpers 21 dichtend mit einer Nutringmanschette 27. Wenn dieser Zustand eingetreten ist, wird die Einspeisungsmuffe 24 bezüglich ihrer Bewegungsrichtung x blockiert, so daß Druckflüssigkeit von einer nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle über die Zuleitungen 28, 29 in den Muffenhohlraum 30 eingeführt und sodann über die jeweilige offene Stirnseite 23 in den rohrförmigen Hohlkörper hineingeleitet werden kann.
Unter der Wirkung der Druckflüssigkeit wird - wie im einzelnen weiter unten noch näher dargestellt - der rohrförmige Hohlkörper 21 so umgeformt, daß er sich unter plastischer Verformung an die Gravur 20 des Gesenks 16 anlegt und so die Kontur der Gravur annimmt.
Der rohrförmige Hohlkörper 21 ist gemäß den Fig. 1 und 2 mit gestrichelten Unterteilungen T gekennzeichnet, welche grundsätzlich unterscheiden sollen, daß der rohrförmige Hohlkörper 21 aus einem Stütz- oder Anschlußbereich 26 und aus einem Verformungsbereich 31 besteht.
Da der rohrförmige Hohlkörper gemäß Fig. 1 an einer Endstirnseite mit dem Boden 22 versehen ist, ist folglich nur ein mit der Einspeisungsmuffe 24 kooperierender Stütz- oder Anschlußbereich 26 vorgesehen, während bei einem beidendig (bei 23) offenen rohrförmigen Hohlkörper 21 der Verformungsbereich 31 beidendig durch Stütz- oder Anschlußbereiche 26 entsprechend den gestrichelt dargestellten Trennlinien T begrenzt ist.
Entsprechend Fig. 2 werden vor der hydrostatischen Umformung mittels der Druckflüssigkeit beide Einspeisungsmuffen 24 im Gleichtakt aufeinanderzu gefahren, worauf die Einleitung der Druckflüssigkeit über beide Einspeisungsmuffen 24 erfolgen kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, beispielsweise anstelle der links in Fig. 2 dargestellten Einspeisungsmuffe 24 eine analog ausgebildete Blindmuffe vorzusehen, welche nach außen hin druckfest abgedichtet ist und daher mit ihrer Nutringmanschette 27 den links in Fig. 2 dargestellten Stütz- oder Anschlußbereich 26 dichtend umgreifen und so in etwa wenigstens die Funktion des Rohrbodens 22 gemäß Fig. 1 übernehmen kann. Bis auf ihre druckfeste Abdichtung unterscheidet sich eine Blindmuffe 24 nicht von der Einspeisungsmuffe 24.
In Fig. 3 ist die Einspeisungsmuffe 24 deutlicher zu erkennen. Die Einspeisungsmuffe 24 weist einen Muffenkörper 32 mit Außengewinde 34 auf, welches mit dem Innengewinde 33 einer Überwurfmutter 35 zusammenwirkt. Die Überwurfmutter 35 ist mit einer Einführöffnung 36 versehen, welche von einer kegelstumpfförmigen Innenmantelfläche 37 begrenzt ist. In eine zwischen der Überwurfmutter 35 und dem Muffenkörper 32 gebildeten ringförmigen Innennut 38 ist die durchgehend ringförmige Nutringmanschette 27 aus begrenzt flexiblem Werkstoff, insbesondere aus weitestgehend formstabilem Kunststoff, eingesetzt. Die Nutringmanschette 27 weist eine rückwärts in Richtung Druckmittelversorgung offene Ringnut 40 auf, welche innenseitig von einer einstückig stoffschlüssig mit der Nutringmanschette 27 verbundenen Ringlippe 42 und außenseitig von einer Ringlippe 41 begrenzt ist, welche ebenfalls einstückig stoffschlüssiger Bestandteil der Nutringmanschette 27 ist. Die Nutringmanschette 27 kann sich daher unter der Wirkung der Druckflüssigkeit selbsttätig spaltabdichtend verspreizen.
Zur Aufnahme des hohlkörperseitigen Stütz- oder Anschlußbereichs 26 fährt die Einspeisungsmuffe 24 entlang der Richtung x nach links und bewegt sich über die strichpunktiert dargestellte Zwischenstellung weiter, bis die Überwurfmutter 35 insgesamt satt in der gesenkseitigen Aufnahmehöhlung 25 einliegt. Hierbei überfährt die Nutringmanschette 27 den Stütz- oder Anschlußbereich 26. Sodann wird die Einspeisungsmuffe 24 bezüglich der Bewegungsrichtung x blockiert, worauf über 28, 29, 30, 23 ein Druckmittel (zweckmäßig eine wässrige Emulsion, die für Hydraulikzwecke geeignet ist) in den Innenraum 43 des rohrförmigen Hohlkörpers 21 eingeleitet wird, wonach dessen aufweitende hydrostatische Verformung, die eine Streckverformung darstellt, erfolgt.
Es ist vorstellbar, daß die hydrostatische Verformung auch außerhalb des Gesenks bis in die trichterförmige Einführöffnung 36 hinein vonstatten geht, wodurch eine an letztere angeformte kegelstumpfförmige Aufwölbung 44 entsteht, wie sie etwa in den Fig. 6 sowie 8 und 9 dargestellt ist.
Für den Fall, daß - wie vorerwähnt - die Einspeisungsmuffe 24 als Blindmuffe ausgebildet sein soll, genügt es, den der Druckmittelquelle zugewandten hinteren Teil des Muffenhohlraums 30 geschlossen auszubilden, wie es rechts in Fig. 3 im Zusammenhang mit der Bezugsziffer 39 und dem gestrichelten Bezugspfeil angedeutet ist.
Die vorstehenden Erläuterungen sollen auch zeigen, daß die Muffen 24, seien sie als Blindmuffen oder als Einspeisungsmuffen ausgebildet, die Stütz- oder Anschlußbereiche 26 zwar dichtend umschließen, dennoch aber eine Bewegung des rohrförmigen Hohlkörpers 21 relativ zur Muffe 24 zulassen. Diese Relativbewegung, die allein durch den hydrostatischen Umformdruck der Druckflüssigkeit initiiert wird, macht das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von einer externen axialen mechanischen Krafteinleitung z.B. mittels Preßstempel und gestattet daher dünnwandige Werkstücke 21 mit praktisch beliebig gekrümmter - und selbstverständlich auch gerader - Form.
Anhand der Fig. 4-6 mit zugehörigen Querschnitten 4a-6a soll die erfindungsgemäße hydrostatische Umformung im einzelnen erläutert werden, wobei sich analoge Vorgänge auch im Zusammenhang mit den Fig. 7-9 ergeben, was durch die Übernahme identischer Bezugsziffern für analoge Einzelheiten deutlich wird.
Der in Fig. 4 dargestellte rohrförmige Hohlkörper 21 ist mittels einer nicht gezeigten üblichen Rohr-Biegevorrichtung zu einem Rohrbogen von 180° gebogen. Die Rohrbiegevorrichtung kann beispielsweise entsprechend dem in der AT-A-272 072 dargelegten Prinzip arbeiten.
Bei dem mechanischen Biegevorgang verhält sich das Rohr 21 entlang seiner neutralen Achse (Längsmittelachse) unterschiedlich. So entsteht im Innenwandbereich eine durch Stauchung bedingte Verdickung 45 und im Rohrwand-Außenbereich eine gewisse Verdünnung 46 der insgesamt mit 47 bezeichneten Hohlkörperwand. Im Rohraußenbereich (Rohraußenbogen) resultiert aus der Biegung eine sich entlang der Rohrlängsrichtung erstreckende längsnutartige Einfallstelle 48.
Bei der Herstellung des Rohrbogens ist man bemüht, nach Möglichkeit Fältelungen im Rohrinnenbogen weitestgehend zu vermeiden.
In den Fig. 4-6 ist gezeigt, wie die hydrostatische Umformung geschieht.
Dargestellt ist ein Teil des Untergesenks 15, welches eine Draufsicht auf die Gesenkteilungsebene E darstellt. Die Fläche der Gesenkteilungsebene ist zur besseren Hervorhebung mit einer Schrägschaffur gekennzeichnet.
Der Rohrbogen 21 wird gemäß Fig. 4 von oben in die untere Formhöhlungshälfte 19 hineingelegt. Sodann wird das Gesenk 16 analog zu den Darstellungen in den Fig. 1 und 2 zugestellt und zwei nicht dargestellte Einspeisungsmuffen 24 schieben sich über die beiden Stütz- oder Anschlußbereiche 26 des Rohrbogens 21, dessen Stirnseiten 23 offen sind. Die beiden Einspeisungsmuffen 24, von denen eine Blindmuffe sein kann, werden sodann gegen Verschiebung blockiert. Die Anordnung ist nun bereit zur Einleitung der hydrostatischen Druckflüssigkeit.
Die Einleitung der hydrostatischen Druckflüssigkeit geschieht entsprechend dem in den Fig. 10 und 11 gezeichneten Druckverlauf. In Fig. 10 ist der im Innenraum 43 des zu verformenden rohrförmigen Hohlteils 21 wirkende Druck über der Zeit aufgetragen. Hierbei stellt Fig. 11 ein vergrößertes Detail der Druckverlaufskurve gemäß Fig. 10 dar.
Der Rohrbogen 21 gemäß Fig. 4 wird zunächst mit einem Fülldruck beaufschlagt, der gemäß Fig. 11 eine Druckhöhe von ca. 65 Bar erreicht. Während der Fülldruck-Phase beginnt der Rohrbogen 21 bereits, sich in Richtung A in die Formhöhlung 10 einzubewegen. Der Fülldruck wird in einem gesonderten Niederdruckteil erzeugt. Wie aus den Fig. 10 und 11 deutlich zu ersehen ist, wird der Fülldruck durch einen steil ansteigenden Umformungsdruck (erzeugt in einem gesonderten Hochdruckteil) erhöht, dessen Maximum im vorliegenden Fall insgesamt bei etwa 1500 Bar liegt, grundsätzlich aber bis auf 3000 Bar und höher gesteigert werden kann.
Während der Erhöhung des Umformungsdrucks wird der Rohrbogen 21 gänzlich entlang der Richtung A in die Formhöhlung 17 hineingezogen, wobei sich zunächst die längsnutartige Einfallstelle 48 (s. Fig. 4a) zur Stelle 20 A der Gravur 20 nach außen bewegt. Dabei nimmt der Rohrquerschnitt etwa die in Fig. 5a dargestellte Gestalt an. Fig. 5 zeigt deutlich, daß sich die Rohrbogen-Außenfläche bereits weitestgehend bei 20 A an die Gravur 20 angelegt hat. Auch in den Fig. 5 und 6 sind übrigens die gestrichelten Unterteilungen T eingetragen, welche in etwa die Stütz- oder Anschlußbereiche 26 vom Verformungsbereich 31 des Rohrbogens 21 unterscheiden sollen.
Es muß hervorgehoben werden, daß die Fig. 4-6 den gesamten Umformungsvorgang nur stufenweise wiedergeben, der insgesamt kontinuierlich gleitend und ohne Stockung verläuft.
Der sich erhöhende Umformungsdruck sorgt schließlich dafür, daß die im Verformungsbereich 31 befindliche Rohrwand 47 sich insgesamt satt an die Gravur 20 anlegt, wobei eine Aufweitung des Rohres 21 unter gleichzeitiger Streckung der Rohrwand 47 erfolgt. Dies bedeutet, daß sich insbesondere die Verdickung 45, welche in den Fig. 5 und 5a noch deutlich zu erkennen ist, entgegen der Richtung A, und zwar in Richtung B, an den inneren Gravurbereich 20 B unter gleichzeitiger Streckverformung anlegt, während sich der Rohraußenbogen insgesamt an der äußeren Kontur der Gravur 20, so auch bei 20 A, abstützt. Das so umgebildete Rohr 21 weist schließlich einen gleichmäßigen Ringquerschnitt entsprechend den Fig. 6 und 6a auf.
Im einzelnen betrachtet, geschieht bei der Umformung des Rohrbogens 21 folgendes: Bedingt durch die größere Wirkfläche im Außenbogenbereich, bewegt sich der Rohrbogen 21 zunächst in Richtung A in die Formhöhlung hinein und stützt sich hierbei am Gravurbereich 20 A ab. Der dickere Wandbereich 45 des Innenbogens wird sodann, bedingt durch den im zeitlichen Verlauf höheren Druck entsprechend den Fig. 10 und 11, an den dem Innenbogen (bei 45) gegenüberliegenden Gravurbereich 20 B gepreßt. Es wird also deutlich, daß insgesamt ein selbsttätiger Ausgleich der Restwandstärke der Hohlkörperwand 47 vorgenommen wird. Dieses geschieht grundsätzlich derart, daß jeder Innenradius (also im Bereich des Rohrinnenbogens s. ebenfalls Fig. 8 Pos. 49) frei gewählt und hierbei gleichzeitig die Restwandstärke minimiert werden kann.
Es ist vorstellbar, daß man durch gezielte Wahl der Abstände der jeweiligen Rohraußenwandfläche zum gegenüberliegenden Gravurbereich gewissermaßen eine Steuerung der Wanddicke über den Verformungsweg vornehmen kann. Jene Abstände sind beispielsweise in den Fig. 4 und 5 mit F und G bezeichnet.
Zu ergänzen bleibt noch, daß die Durchmesser der Stütz- oder Anschlußbereiche 26 während der Umformung unverändert bleiben. Um einen gleichgestalteten Nutzen (nutzbares Werkstück) zu erhalten, würde man deshalb nach der Umformung die Stütz- oder Anschlußbereiche 26 gemeinsam mit den kegelstumpfförmigen Aufwölbungen 44 etwa bei den gestrichelten Linien T abtrennen.
Beim beschriebenen Beispiel gemäß den Fig. 4-6 hätte ein maximaler Umformungsdruck von etwa 1350 Bar genügt. Um aber Unregelmäßigkeiten des Ausgangswerkstoffes, insbesondere gewisse Werkstofftoleranzen aber auch ggf. durch die Biegung entstandene kleine Fältelungen im Bereich des Rohrinnenbogens auszugleichen, um also auf jeden Fall Bauteile großer Fertigungsidentität herstellen zu können, wird der an sich genügende Umformungsdruck um z.B. 150 Bar auf 1500 Bar erhöht.
Sobald der Maximaldruck von 1500 Bar erreicht ist, wird der Druck abgeschaltet und schlagartig auf atmosphärischen Druck umgeschaltet, was sich gemäß Fig. 10 in einem nahezu senkrechten Druckabfall bemerkbar macht. Der Umformungsvorgang beträgt unter Einbeziehung der Fülldruckphase insgesamt etwa 1 - 2,5 s.
Die Umformung des 90°-Bogens entsprechend den Fig. 7-9 erfolgt praktisch analog zur Umformung gemäß den Fig. 4-6, mit dem Unterschied, daß gemäß Fig. 8 (abweichend zu Fig. 5) bereits die kegelstumpfförmigen Aufwölbungen 44 entstanden sind. Durch Streckverformung des Verdickungsbereichs 45 entsteht an der Stelle 49 der Rohrwand 47 gemäß Fig. 9 nahezu ein Nullradius. Dieser beinahe Nullradius entspricht dem Gravurverlauf bei 20 B.
In den Fig. 7-9 sind analog zu den Fig. 4-6 ebenfalls die mit IVa-IVa, Va-Va und VIa-VIa bezeichneten Schnittlinien eingetragen, so daß grundsätzlich auch für die Darstellungen gemäß den Fig. 7-9 - bis auf maßstäbliche Unterschiede - im wesentlichen die Querschnitte entsprechend den Fig. 4a, 5a und 6a gelten. Auch die Verformungswege F und G entsprechend den Verformungsweg-Richtungen A und B gelten analog für das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7-9.
Auch der 90°-Krümmer gemäß Fig. 7 wurde mit einem mechanischen Rohrbiegewerkzeug vorgebildet. Eine längsnutartige Einfallstelle 48 ist aus Fig. 7 ersichtlich.
Desgleichen gilt analog für das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7-9 der in den Fig. 10 und 11 dargestellte zeitliche Druckverlauf bei der Umformung.

Claims

Verfahren zum hydrostatischen Umformen von Hohlkörpern (21) aus kaltumformbarem Metall über die lichte Ausgangsweite des Hohlkörpers (21) hinaus innerhalb einer Formhöhlung eines Gesenks (16), wobei Druckflüssigkeit von außen in den Hohlkörper (21) eingespeist, ein Verformungsbereich des Kohlkörpers (21) nur mittels der Druckflüssigkeit relativ zur Formhöhlung bewegt und die Hohlkörperwand (47) an die Gravur (20) der Formhöhlung (17) angedrückt wird und wobei der Hohlkörper (21) außerhalb des Verformungsbereichs (31) mit mindestens einem Stütz- oder druckflüssigkeitsleitenden Anschlußbereich (26) mittels mindestens einer starren Muffe (24) im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörperwand (47) an jedem Stütz- oder Anschlußbereich (26) im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz in der Muffe (24) aufgenommen ist, daß an den Stellen (45), an denen eine hydrostatische Verdünnung der Hohlkörperwand (47) erzeugt werden soll, gezielt ein Abstand (G) zwischen der Außenfläche der Hohlkörperwand (47) und der Innenfläche (20B) der Gravur (20) belassen wird und daß der Abstand (G) im wesentlichen proportional dem zu erzielenden Umformungsgrad bemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (21) in mehreren aufeinanderfolgend ansteigenden Druckbereichen bzw. Druckstufen der Druckflüssigkeit hydrostatisch umgeformt wird
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von einem Druckbereich bzw. von einer Druckstufe zur nächst höheren in unmittelbarer zeitlicher Aufeinanderfolge im wesentlichen übergangslos gleitend durchgeführt und daß diese hydrostatische Umformung in demselben Gesenk (16) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der hydrostatischen Umformung die Druckflüssigkeit zunächst mit einem Fülldruck in den Hohlkörper (21) hineingegeben und sodann eine Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks auf einen Umformungsdruck erfolgt, dessen maximale Druckhöhe ein Vielfaches der maximalen Fülldruck-Höhe beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Umformungsdrucks etwa das 30- bis 50-fache der Höhe des Fülldrucks beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zur hydrostatischen Umformung eines Hohlkörpers (21) erforderliche Umformungsdruck durch einen Zusatzdruck erhöht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der hydrostatischen Umformung die zuvor im Hohlkörper (21) befindliche Luft zugleich mittels der Druckflüssigkeit komprimiert wird, daß nach abgeschlossener hydrostatischer Umformung die Druckversorgung für die Druckflüssigkeit abgeschaltet wird, worauf die komprimierte Luft entspannt und dadurch die Druckflüssigkeit aus dem Hohlkörper (21) hinausgedrängt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Umformung des Hohlkörpers (21) in mehreren unterschiedlichen Gesenken (16) vorgenommen wird, in denen die jeweilige hydrostatische Umformung über mindestens einen Druckbereich oder über mindestens eine Druckstufe der Druckflüssigkeit erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum hydrostatischen Umformen von Hohlkörpern (21) aus kaltumformbarem Metall über die lichte Ausgangsweite des Hohlkörpers (21) hinaus, mit einem eine Formhöhlung (17) aufweisenden Gesenk (16), mit mindestens einer relativ zum Gesenk blockierbaren gesonderten starren Muffe (24), mittels welcher der Hohlkörper (21) außerhalb seines Verformungsbereichs (31) mit mindestens einem Stütz- oder druckflüssigkeitsleitenden Anschlußbereich (26) druckdicht sowie im wesentlichen axialkraftfrei und axialverschieblich mit Schiebesitz aufnehmbar ist, welcher bei Einspeisung der Druckflüssigkeit mit hydrostatischem Umformdruck eine Bewegung des rohrförmigen Hohlkörpers (21) relativ zur Muffe (24) gestattet, wobei die Druckflüssigkeit durch mindestens eine Muffe (24) hindurch in den Hohlkörper (21) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Muffe (24) relativ zum Gesenk (16) translatorisch hin- und herbeweglich (Doppelpfeil x) ist und daß jede Muffe (24) zur Aufnahme je eines Stütz- oder Anschlußbereichs (26) des Hohlkörpers (21) einen umgreifenden Schiebesitz bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (24) nach dem Schließen des Gesenks (16) bis zur satten Anlage (bei 25) an das Gesenk (16) auf den Stütz- oder Anschlußbereich (26) des Hohlkörpers (21) aufschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (24) mindestens eine den Stütz- oder Anschlußbereich (26) des Hohlkörpers (21) umgreifende, sich unter der Wirkung der Druckflüssigkeit um den Hohlkörper (21) verspannende Dichtmanschette, wie Nutringmanschette (27) od.dgl. enthält, welche unmittelbar von der Druckflüssigkeit in der Zuleitung (28, 29, 30) zu dem Hohlkörper (21) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei hohlkörperseitigen Stütz- oder Anschlußbereichen (26) jedem Stütz- oder Anschlußbereich (26) eine Muffe (24) mit Druckflüssigkeit-Einleitung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei hohlkörperseitigen Stütz- oder Anschlußbereichen (26) dem einen Stütz- oder Anschlußbereich (26) eine Muffe (24) mit Druckflüssigkeitseinspeisung und dem anderen Stütz- oder Anschlußbereich (26) eine Blindmuffe (24) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Muffe (24) eine sich nach außen öffnende kegelstumpfförmige Innenmantelfläche (37) als etwa trichterförmige Einführöffnung (36) für den hohlkörperseitigen Haltebereich (26) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführöffnung (36) Bestandteil einer einen Muffenkörper (32) übergreifenden Überwurfmutter (35) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmanschette (24) innen zwischen der Überwurfmutter (35) und dem Muffenkörper (32) gehalten ist.