Vorrichtung und Verfahren zum Axialumformen von langgestreckten

Hohlkörpern

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Axi ^¬ alumformen eines langgestreckten Hohlkörpers.

Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass Rohre an ihren Enden in einem Arbeitsgang entweder in ihrem Durchmesser aufgeweitet oder auch reduziert werden können. Dabei werden Rohre bzw. langgestreckte Hohlkörper jedoch in zwei getrennt voneinander ablaufenden Arbeitsgängen umgeformt, die entweder auf verschiedenen Maschinen stattfinden oder einen Rüstvorgang erfordern, damit die jeweils nötigen Werkzeugsätzen eingesetzt werden können.

Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Axialumformen eines langgestreckten Hohlkörpers bereitzustellen, um Werkstücke mit den Verfahren Aufweiten und Reduzieren in einem Arbeitsgang herzustellen, so dass ein zweiter Satz Werkzeuge, Arbeitszeit, Rüstzeit und auch Maschinenzeit eingespart werden können.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Verwendung der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist daraufhinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Schutzansprü-

chen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt werden.

Vorliegend wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Axialumformen eines langgestreckten Hohlkörpers, aufweisend zumindest eine Reduziermatrize zum Hindurchführen des langgestreckten Hohlkörpers

(2), ein Stempel zum Drücken des langgestreckten Hohlkörpers durch die Reduziermatrize in Richtung einer Achse, - ein Aufweitdorn und

Mittel zum Begrenzen der axialen Verschiebung des Stempels, wobei der Stempel und der Aufweitdorn auf derselben Achse bewegbar sind und der Aufweitdorn innerhalb des Stempels angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei zur Fertigung von langgestreckten Hohlkörpern geeignet, insbesondere von Rohren, wobei diese Werkstücke auch Strukturen aufweisen können, die bereits vorhanden sind oder durch das Durchdrücken durch die Reduziermatrize und/oder das Aufweiten mittels des Aufweit- dorns hergestellt werden können. Insbesondere kann so der Hohlkörper in Folge einer gleichgerichteten Bewegung des Stempels und des Aufweitdorns in einem ersten Abschnitt zu einem ersten Durchmesser reduziert und in einem zweiten Abschnitt zu einem zweiten Durchmesser aufgeweitet werden.

Bevorzugt ist der Stempel hierbei ebenfalls nach Art eines Zylinders oder eines ähnlichen Hohlkörpers ausgebildet und weist eine zentrale Achse auf, die regelmäßig mit der Verfahrachse übereinstimmt. Koaxial und/oder parallel zu dieser Achse ist nunmehr (wenigstens) ein so genannter Aufweitdorn vorgesehen, der sich in einen entsprechenden Hohlraum des Stempels erstreckt. Bevorzugt sind Stempel und Aufweitdorn koaxial zueinander ausgebildet. Vorteilhafter Weise ragt der Aufweitdorn aus dem Stempel im „eingefahrenen" Zustand hinaus, so dass dieser eine vorgelagerte, Radialabstützung für den langgestreckten Hohlkör-

per im ersten Umformprozess bildet. Für die Relativbewegung von Stempel und Aufweitdorn können separate oder gemeinsame Antriebseinheiten vorgesehen sein, die mittels einer Steuerung (ggf. unter Einsatz von Sensoren) betrieben werden. Die Mittel zum Begrenzen der axialen Verschiebung des Stempels können auf unterschiedliche konstruktive oder steuerungstechnische Konzepte zurückgreifen, so dass z.B. ein Motor, ein Anschlag, einen Vorschubbegrenzer, eine Bremse, eine Rastnase, ein Dämpfer oder ähnliches vorgesehen werden kann, damit der Stempel zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (und/) oder Verfahrweg anhält bzw. gestoppt wird.

Zur Erreichung von höheren Umformgraden kann sowohl die Aufnahme für das Werkstück als auch die Reduziermatrize beheizbar ausgeführt sein, so dass das Werkstück grundsätzlich (und bevorzugt) kalt, aber ggf. auch halbwarm oder warm umgeformt werden kann. Bei einer halbwarmen Umformung sollte zumin- dest der Bereich der Blauversprödung (ca. 400 °C) überwunden sein, wobei bevorzugt im Bereich oberhalb von 700 - 800°C gearbeitet werden kann. Eine warme Umformung wird ab Temperaturen von zumindest 1.100 ⁰ C durchgeführt. Deshalb wird insbesondere auch vorgeschlagen, dass der Aufweitdorn und/oder der Stempel und/oder die Reduziermatrize und/oder eine Aufnahme für das lang- gestreckte Hohlprofil beheizbar ausgeführt sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass der Aufweitdorn unabhängig vom Stempel bewegbar ist. Somit lässt sich das Werkstück in beliebig lange erste und zweite Abschnitte unterteilen. Dabei drückt der Stem- pel den Hohlkörper soweit durch die Reduziermatrize, bis eine vorbestimmte Länge eines ersten Abschnitts erreicht ist. Gleichzeitig oder auch nach Abschluss der Bewegung des Stempels wird der Aufweitdorn weiter verfahren, so dass ausgehend von dem Ende des Werkstücks, welches mit dem Stempel bzw. dem Aufweitdorn in Verbindung steht, das Werkstück über die vorbestimmte Länge eines zweiten Abschnitts aufgeweitet wird. Dabei muss der Aufweitdorn nicht zwingend so weit gedrückt werden, dass das Werkstück den Spalt zwischen Aufweit-

dorn und Reduziermatrize ausfüllt, sondern kann bereits vorher gestoppt werden. Dadurch würde ein Zwischenabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt entstehen, der im Wesentlichen der Form des ursprünglichen Werkstücks entspricht. Durch ein Ausfüllen des Spalts zwischen Aufweitdorn und Re- duziermatrize kann jedoch der übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt insoweit kalibriert werden, dass das Werkstück gegebenenfalls in vorgesehene Wandstrukturierungen eingepresst und somit weiter umgeformt werden kann.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein erfindungs gemäßes Verfahren gelöst zum Axialumformen eines langgestreckten Hohlkörpers, wobei der Hohlkörper durch eine gleichgerichtete Bewegung eines Stempels und eines Auf- weitdorns während eines ersten Prozesses zu einem ersten Durchmesser in einem ersten Abschnitt reduziert und während eines zweiten Prozesses in einem zweiten Abschnitt zu einem zweiten Durchmesser aufgeweitet wird.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt also während des ersten Prozesses eine parallele Bewegung eines Stempels und eines Aufweitdorns innerhalb einer Aufnahme zur Positionierung des langgestreckten Hohlkörpers, wobei der Stempel den langgestreckten Hohlkörper in eine Reduziermatrize drückt. So wird hier beispielsweise im ersten Prozess der Stempel in Richtung der Achse longitu- dinal hin zur Reduziermatrize verfahren, wobei der Aufweitdorn den Stempel bzw. den umzuformenden Hohlkörper in der gewünschten Stellung fixieren kann. Dabei wird das Werkstück (Hohlkörper) mit der erforderlichen Kraft (teilweise) durch die Reduziermatrize gedrückt, wobei gleichzeitig im Kontaktbereich von Reduziermatrize und Werkstück eine Reduzierung des vorherigen (Ausgangs-) Durchmesser des Werkstücks erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, dass die Prozesse des Aufweitens und des Reduzie- rens der Durchmesser des Hohlkörpers nacheinander durchgeführt werden. Ist die gewünschte Reduzierung über den ersten Abschnitt demnach erreicht, endet der

erste Prozess und der zweite beginnt bevorzugt unmittelbar im Anschluss, so dass eine ununterbrochene Umformung stattfindet.

Außerdem wird auch als vorteilhaft erachtet, dass während des zweiten Prozesses nur eine axiale Verschiebung des Aufweitdornes vorgenommen wird, bis sich der Aufweitdorn zumindest teilweise in eine Reduziermatrize hinein erstreckt. Während der Stempel nun also nicht weiter bewegt wird und in der Aufnahme ruht, wird der Aufweitdorn (ggf. auch Profildorn) allein in Richtung der Reduziermatrize longitudinal weiter bewegt. Dabei dringt der Aufweitdorn in das Werkstück ein und weitet es soweit auf, dass dessen Umfangsfläche an der Aufnahme zur Anlage kommt.

Insbesondere wirken folglich der Stempel axial und der Aufweitdorn radial von Innen auf den langgestreckten Hohlkörper ein. Dies erfolgt bevorzugt in zwei ge- trennten Prozessen zeitlich nacheinander, allerdings können hier gleichwohl die Prozesse Reduzieren (erster Prozess) und Aufweiten (zweiter Prozess) kombiniert werden.

Des Weiteren erstreckt sich die Erfindung auf die Verwendung eines Hohlkörpers, hergestellt mit einer hier vorgestellten Vorrichtung oder hergestellt nach einem hier veranschaulichten erfindungsgemäßen Verfahren, zur Drehmomentübertragung in einem Kraftfahrzeug. Dabei kommen insbesondere Längswellen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen in Betracht.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. In der Zeichnung zeigt schematisch:

Fig. 1 : einen Querschnitt durch eine Ausführungsvariante der Vorrichtung,

Fig. 2: einen Querschnitt durch die Vorrichtung aus Fig. 1 während des Reduzie- rens eines Durchmessers des Werkstücks,

Fig. 3: einen Querschnitt durch die Vorrichtung aus Fig. 1 während des anschlie- ßenden Aufweitens des Durchmessers, und

Fig. 4: prinzipiell einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer Längswelle.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche möglich. So können insbesondere auch nicht rotationssymmetrische Aufnahmen, Reduziermatrizen, Stempel oder Aufweitdorne verwendet werden zur Herstellung von ebenfalls nicht rotationssymmetrischen Werkstücken. Weiterhin können die Werkstücke profiliert sein bzw. infolge einer profilierten Reduziermatrize bzw. eines profilierten Aufweitdorns und einer entsprechend angepassten Aufnahmeform bearbeitet werden.

Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung 1 zum Axialumformen eines langgestreckten Hohlkörpers 2, wobei der Hohlkörper 2 zu Beginn des Prozesses in die Aufnahme 3 eingelegt oder eingeführt wird. Dabei sind Stempel 5 und Aufweitdorn 6 nicht mit dem Hohlkörper 2 im Eingriff, können aber bereits in der Aufnahme 3 positioniert bzw. geführt sein. Der Aufweitdorn 6 wird dabei innerhalb des Stempels 5 geführt und ist insbesondere unabhängig von dem Stem- pel 5 auf derselben Achse 7 bewegbar.

Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Reduziermatrize 4 auf, die an einem Ende der Vorrichtung 1 gegenüber der Eingreiföffnung des Stempels 5 und des Aufweitdorns 6 angeordnet ist. Die Reduziermatrize 4 weist insbesondere eine öff- nung 18 mit einem sich verengenden bzw. reduzierenden Querschnitt (z.B. nach Art eines Konus 19 oder einer Fase) auf, wobei das Werkstück (zumindest in dem

umzuformenden Bereich) mit einem Ausgangsdurchmesser bereitgestellt wird, der größer als der kleinste Querschnitt der Reduziermatrize.

Die Vorrichtung 1 kann zur Erreichung höherer Umformgrade des Werkstückes beheizt bzw. erwärmbar ausgeführt sein, um eine Umformung bei höheren Tem ^¬ peraturen zu ermöglichen. Dabei können Komponenten der Vorrichtung 1 z.B. durch Induktion, Durchströmung der Vorrichtung 1 mit einem Heizmedium, e- lektrische Heizelemente usw. auf entsprechende Temperaturen gebracht werden. Weiterhin kann der Hohlkörper 2 bereits vorgewärmt in die Aufnahme 3 eingelegt werden. Zusätzlich kann auch wenigstens ein Element der Gruppe Aufnahme 3, Reduziermatrize 4, Stempel 5 und Aufweitdorn 6 beheizt bzw. erwärmt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch den Querschnitt durch die Vorrichtung 1, wobei der Stempel 5 sich im Eingriff mit dem Hohlkörper 2 befindet und diesen gegen die Reduziermatrize 4 drückt, so dass in dem ersten Abschnitt 9 der Ausgangsdurchmesser des Hohlkörpers 2 zu einem ersten Durchmesser 10 reduziert wird. Stempel 5 und Aufweitdorn 6 werden in diesem ersten Prozess gemeinsam bewegt und drücken den Hohlkörper 2 gemeinsam durch die Reduziermatrize 4.

Fig. 3 zeigt schematisch den Querschnitt der Vorrichtung 1 zum Axialumformen des langgestreckten Hohlkörpers 2, wobei der Aufweitdorn 6 nunmehr unabhängig vom Stempel 5 bewegt wird und das Werkstück 2 in einem zweiten Abschnitt 11 des langgestreckten Hohlkörpers 2 zu einem zweiten Durchmesser 12 aufweitet, der größer als der Ausgangsdurchmesser des Werkstücks ist. Der Stempel 5 wird dabei in seiner axialen Verschiebung durch einen hier nur schematisch gezeigten Vorschubbegrenzer 8 (z.B. einem entsprechend gesteuerten Motor) gestoppt. Insbesondere wird der Aufweitdorn 6 bis zum Anschlag mit der Reduziermatrize 4 bewegt, so dass ein kalibrierter übergang zwischen dem ersten Durchmesser 10 und dem zweiten Durchmesser 12 des Hohlkörpers 2 erreicht wird.

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Zur Entnahme des Werkstücks 2 können einerseits die Aufnahme 3 und die Reduziermatrize 4 geöffnet werden, andererseits kann die Reduziermatrize 4 gegenüber der Aufnahme 3 gelöst werden, so dass der fertig hergestellte Hohlkörper 2 entlang der Achse 7 aus der Aufnahme 3 herausgenommen werden kann. Gleichzei- tig kann der Stempel 5 bzw. der Aufweitdorn 6 als Auswerfer genutzt werden. Insbesondere kann aber auch Stempel 5 und Aufweitdorn 6 in die Ausgangslage zurückgefahren werden und das Werkstück wird entweder durch die geöffnete Reduziermatrize 4 entnommen oder durch die geöffnete Aufnahme 3.

Fig. 4. veranschaulicht nun noch ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der so hergestellten Hohlprofile 2 in einem Kraftfahrzeug 13. Dabei kommen die Hohlprofile im Antriebsstrang 14 eines Kraftfahrzeuges 13 beispielsweise als so genannte Längswellen 15 zum Einsatz, um ein vom Antrieb generiertes Drehmoment auf entfernte Räder 17 zu übertragen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

Hohlkörper

3 Aufnahme

Reduziermatrize

5 Stempel

6 Aufweitdorn

7 Achse

8 Vorschubbegrenzer

9 erster Abschnitt

10 erster Durchmesser

11 zweiter Abschnitt

12 zweiter Durchmesser

13 Kraftfahrzeug

14 Antriebsstrang

15 Längswelle

16 Antrieb

17 Rad

18 öffnung

19 Konus