TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Umformen von Werkstücken nach Anspruch 8.

STAND DER TECHNIK

Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein Werkstück in Rotation versetzt und dann durch von außen an das Werkstück herangeführte Walzen oder Rollen umgeformt wird. Oft sind diese Werkstücke als rotationssymetrische Hohlkörper ausgeführt. Die Hohlkörper können einseitig geschlossene Böden aufweisen . In den meisten Fällen geschieht diese Umformung in der Weise, dass die äußeren Umformrollen den Mantel des hohlkör- perförmigen Werkstückes gegen einen Innendorn pressen, so dass der Werkstoff innerhalb einer Umformzone zwischen den Umformwerkzeugen axial, radial und tangential zum Fließen gebracht wird. Dabei wird die Wandstärke des Mantels reduziert .

Der umzuformende Hohlkörper wird dabei auf seiner ganzen Länge auf dem Innendorn geführt, so dass sich nach der Um- formung mindestens 50% des fertigen Werkstückes auf dem In- nendorn befinden. Abhängig von der Prozessführung können sich auch 100% der Länge des Werkstückes sich auf dem Innendorn befinden. Das Anpressen des Werkstoffes gegen den Innendorn während der Umformung hat den Nachteil, dass eine sehr hohe Reibung zwischen der inneren Oberfläche des Werkstückes und der Oberfläche des Innendornes entsteht. Die Reibung führt wiederum zur nachteiligen Erwärmung von Werkstück und Innen- dorn. Dazu kommt der Verschleiß der Oberfläche während des Umformprozesses aufgrund der Reibbeanspruchung.

Des Weiteren muss der ideale Außendurchmesser des Innendornes durch Versuche gefunden werden, was aufwendige nach- trägliche Korrekturen am Außendurchmesser des Innendornes erforderlich macht. Die Herstellung von Werkstücken mit verschiedenen Innendurchmessern bei unterschiedlichen Wanddicken innerhalb eines Werkstückes mit einem Innendorn ist ausgeschlossen. Für die Fertigung derartiger Werkstücke ist ein geteilter Innendorn, der jeweils an Hauptspindel und Rei stockspindel befestigt wird, erforderlich. Eine solche Vorrichtung mit geteiltem Innendorn ist jedoch aufwendig. Zudem ist die mögliche Kontur des Werkstücks ebenfalls limitiert, da selbst ein geteilter Dorn nur einen beschränk- ten Gestaltungsspielraum der Innenkontur des zu formenden Werkstückes ermöglicht. DIE ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, das die Formgebung von rotationssymmetrischen Werkstücken mit gleich- bleibenden und unterschiedlichen Wanddicken bei verschiedenen Außen- und Innendurchmessern möglich macht, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufzuzeigen, bei welchen die angeführten Nachteile nicht oder im verringerten Maße auftreten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Die Merkmale der abhängigen Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsfor- men.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ein um eine Maschinenhauptachse drehbares und koaxial zu der der Maschinenhauptachse der Vorrichtung gelagertes inneres Umformwerk- zeug auf .

Das innere Umformwerkzeug ist an einem in axialer Längsrichtung verschiebbaren Halter, der selber mit oder unabhängig von dem inneren Umformwerkzeug drehbar gelagert sein kann, befestigt.

Eine Anzahl von äußeren Umformrollen, die entsprechend einer vorgegebenen Werkstückkontur verfahr- und positionierbar sind, greifen im Bereich des inneren Umformwerkzeugs von außen an die Mantelfläche der Vorform an. Die Vorform wird von einer Aufnehmervorrichtung aufgenommen, bei der es sich vorzugsweise gleichzeitig um eine Zentriervorrichtung handelt, welche die Vorform auch zentriert. Das Besondere an dieser Vorrichtung ist, dass das Innenum- formwerkzeug mit einer äußeren Kontur versehen ist, die es erlaubt, durch die axiale Positionierung der äußeren Um- formwerkzeuge relativ zum inneren Umformwerkzeug die axiale Position der Umformzone auf dem inneren Umformwerkzeug vor- zugeben und somit aufgrund der Konturierung des inneren Um- formwerkzeugs den Innendurchmesser des Werkstücks durch die relative axiale Position der äußeren und des inneren Um- formwerkzeugs zueinander vorzugeben. Durch die radiale Positionierbarkeit der äußeren Umformwerkzeuge lassen sich so zusätzlich zum inneren Werkstückdurchmesser der äußere Werkstückdurchmesser und damit die Wandstärke an jeder Position entlang der Maschinenhauptachse x vorgeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren schematisch erläutert: Figuren 1 bis 3 - zeigen schematisch drei beispielhafte

Ausführungsformen des inneren Umform- werkzeugs ,

Figuren 4 bis 10 - zeigen schematisch beispielhafte mögliche Formen von Vorform und Werkstück, Figuren 11 bis 21 - zeigen verschiedene Phasen des Umformverlaufs anhand einer beispielhaften Werkstückgeometrie und Werkzeugausführung,

Figuren 22 bis 26 - zeigen eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten des Prozesses,

Figur 27 - zeigt eine schematische Darstellung der Ausbil- dung des Kontaktdurchmessers am inneren Umform- werkzeug .

BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Vorzugsweise besteht das Innenumformwerkzeug 9 im Wesentlichen aus einer Innenumformrolle oder weist zumindest eine Rolle auf, die das von innen an das Werkstück 4 angreifende Element des Umformwerkzeugs 9 darstellt. Die Außenkontur 9.2 des Innenumformwerkzeugs 9 kann zylindrisch, konisch, konvex oder konkav sein, je nachdem wie das zu formende Werkstück 4 es erfordert. Der Innendurchmesser des Werkstücks 4 ergibt sich dabei aus der Konturierung des Umform- werkzeugs 9. Abhängig von der relativen axialen Position des inneren Umformwerkzeugs 9 zu den äußeren Umformwerkzeu- gen 8 wandert die Umformzone in axialer Richtung auf der Oberflächenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9. Die Relativposition kann dadurch so gewählt werden, dass an die Umformzone immer ein Bereich der Außenkontur des inneren Umforwerkzeugs 9 angreift, in welchem der effektive Außen- durchmesser des inneren Umformwerkzeugs 9 gleich oder mini- mal kleiner dem gewünschten Innendurchmesser des Werkstücks 4 an der jeweiligen Position ist.

Die Innenumformrolle 9 ist axial zur Position der äußeren Umformrollen 8 durch einen Halter 5 zentrisch in der Haupt - spindel 1.1 geführt und stufenlos in Relation zu den äußeren Umformrollen 8 verfahrbar.

Wenn ein zylindrischer Hohlkörper mit gleichbleibendem In- nendurchmesser geformt werden soll, können während der Umformung die innere Umformrolle 9 und äußeren Umformrollen 8 in einer gleichbleibenden axialen Position zueinander geführt werden. Soll dagegen ein Hohlkörper mit unterschiedlichen Innendurchmessern geformt werden, so verfährt die Innenumformrolle 9 axial relativ zu den äußeren Umformrollen 8, bis der an der jeweiligen Stelle des Werkstücks 4 gewünschte Innendurchmesser erreicht ist .

Vorzugsweise kann die Vorform 3 von einem angetriebenen Mitnehmer 11 des axial verfahrbaren Hauptspindelkastens 1 zentriert gehalten und axial, beispielsweise mit dem Zentrierstück 7 des Reitstockes 2, verspannt werden. Hierfür kann eine geeignete Spannvorrichtung 14 , bei der es sich vorzugsweise um einen Druckzylinder handelt, vorgesehen sein.

Die äußeren Umformwerkzeuge 8 können radial geführt in ei- nem nicht dargestellten Gehäuse befestigt sein und können, vorzugsweise mittels CNC-Achsen, die die radiale Position der Umformwerkzeuge 8 vorgeben, vorgegebenen Verfahrbewegungen folgen. Dabei ergibt sich aus den radialen Positionen an der jeweiligen der axialen Positionen der Vorform die äußere Kontur des gewünschten Werkstückes 4.

Die Anzahl der möglichen äußeren Umformwerkzeuge 8 ergibt sich aus den geometrischen Außenabmessungen der Umformwerk- zeuge im Verhältnis zum äußeren Durchmesser des Werkstückes 4. Der maximale Durchmesser des inneren Umformwerkzeugs 9 wird durch den Innendurchmesser der Vorform begrenzt .

Die axiale Position der äußeren Umformrollen 8 zu dem In- nenumformwerkzeug 9 kann beispielsweise durch manuelle Jus- tierung der äußeren Umformwerkzeuge 8 zu- und untereinander abgestimmt werden. Während der Umformung können diese äußeren Umformrollen 8 in axialer Richtung in Fixposition zueinander stehen, vorzugweise zumindest solange die gewünschte Konturierung des Werkstücks 4 keine Verstellung der axialen Positionen einzelner Umformwerkzeuge zueinander während der Umformung erfordert .

Die eingespannte Vorform 3 kann vom Mitnehmer 11 der Haupt - spindel 1.1 und/oder dem Innenumformwerkzeug 9 zentriert werden. Die Spannung kann durch eine Andruckvorrichtung 14, beispielsweise einen Druckzylinder, des Reitstocks 2 erfolgen. Vorzugsweise können die äußeren Umformwerkzuge 8 in eine Ausgangsposition zurückgefahren werden. Das Innenum- formwerkzeug 9 befindet sich in Umformposition axial im Be- reich der äußeren Umformwerkzeuge 8. Die durch die Vorspannung gebildete Einheit kann nun durch die Vorschubvorrichtung 15 des Hauptspindelkastens 1, die vorzugsweise als Vorschubzylinder ausgeführt ist, gegen den Druck der Andruckvorrichtung 14 axial in Umformposition verfahren werden. Dabei kann die Einheit bereits in Drehung um die Maschinenhauptachse versetzt sein oder erst werden. Das Innenumformwerkzeug 9 kann dabei axial in Umformposition zu den äußeren Umformrollen 8 stehen. Die äußeren Um- formwerkzeuge 8 können anschließend radial in Umformpositi - on verfahren werden.

Hauptspindelkasten 1 mit drehender Hauptspindel 1.1, Vorform 3 und Reitstock 2 können so eine Einheit bilden, die gemeinsam durch die axiale Kraft der Vorschubvorrichtung 15, bei der es sich vorzugsweise um einen Vorschubzylinder handelt, mit einem geregelten Vorschub in axialer Richtung relativ zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 verfahren werden kann . Sobald die Umformwerkzeuge 8 in Umformposition sind, können diese das Material der Wanddicke WO der Vorform 3 durch den radialen Anpressdruck der äußeren Umformwerkzeuge 8 und den Widerstand der Innenumformwerkzeug 9 in radialer, tangentialer und axialer Richtung zum Fließen bringen.

Der radiale Abstand des an die Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereiches 9.1 der Außenkontur des Innenumform- werkzeugs 9 und des an die Außenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereiches der äußeren Umformwerkzeuge 8 zueinan- der ergibt die zu formende Wanddicke Wl des zu fertigenden Werkstückes 4 in der jeweiligen axialen Position der Vorform 3 vor. Dabei kann sich der gewünschte Außendurchmesser mit der vorgegebenen Wanddicke Wl in dieser axialen Position bilden. Dabei ist der innere Durchmesser des zu ferti- genden Werkstückes 4 in jeder axialen Position des Werkstücks 4 vorgegeben durch den Kontaktdurchmesser 9.1 der sich aus dem Abstand des an die Kontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereichs der Außenkontur des Innenumformwerkzeugs 9 von der Maschinenhauptachse x in der jeweiligen axialen Position ergibt.

Welcher Bereich 9.3 der Außenkontur 9.2 des inneren Umformwerkzeugs den Kontaktdurchmesser 9.1 und damit den inneren Durchmesser den Werkstücks 4 vorgibt, ergibt sich aus der radialen und axialen Position des äußeren Umformwerkzeugs 8 relativ zum inneren Umformwerkzeug 9. Die am Werkstück 4 angreifende Kontur 8.2 des äußeren Umformwerkzeugs 8 weist vorteilhafterweise einen definierten Bereich 8.1 auf, dessen Formgebung so gestaltet ist, dass sich zwischen diesem Bereich 8.1 und dem Bereich 9.3 der Außenkontur 9.2 des inneren Umformwerkzeugs 9, an dem sich der Kontaktdurchmesser 9.1 ergibt, ein minimaler Abstand zwischen der Kontur 8.2 des äußeren Umformwerkzeugs 8 und der Kontur 9.2 des inneren Umformwerkzeugs 9 ergibt .

Eine dabei zunehmende Länge der Vorform 3 kann den Reit- stock 2 in Fließrichtung des umgeformten Materials gegen den Druck der Andruckvorrichtung 14, bei der es sich vorzugsweise um einen Druckzylinder handelt, zurückdrücken. Die Andruckvorrichtung 14 kann so gestaltet sein, dass der Gegendruck regel- und/oder steuerbar ist. Es ist weiterhin möglich, eine Andrückverlängerung 10 vorzusehen, die vorzugsweise zentrisch zur Hauptachse geführt ist. Der äußere Durchmesser des zu fertigenden Werkstückes mit der Wanddicke Wl wird an der jeweiligen axialen Position des Werkstücks 4 durch die jeweilige radiale Position und Dimensionierung der äußeren Umformwerkzeuge 8 vorgegeben. Die Wanddicke Wl des zu fertigenden Werkstückes 4 ergibt sich an der jeweiligen axialen Position des Werkstücks 4 durch den Kontaktdurchmesser 9.1 des Innenumformwerkzeugs 9.

Dieser wird dadurch bestimmt, dass durch die axiale Positi- on des inneren Umformwerkzeugs 9 zu den äußeren Umformwerk- zeugen 8 ein eindeutig definierter Bereich der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9 an der Innenkontur des umzuformenden Werkstücks 4 angreift. Somit kann der innere Durchmesser des umzuformenden Werkstückes 4 in der jeweili- gen axialen Position festgelegt werden.

Wird nun während der Umformung die axiale Position der Innenumformrolle 9 relativ zu den äußeren Umformrollen 8 geändert, ändert sich der Kontaktdurchmesser 9.1 und damit der definierte, an der Innenkontur des umzuformenden Werkstücks 4 angreifende Bereich der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9 mit der Folge, dass sich die Wanddicke Wl des geformten Werkstücks 4 ändert . Dabei wird im gezeigten Beispiel bei einem axialen Vorschub des Innenumformwerk- zeugs 9 mit der Außenkontur 9.2 in Richtung Reitstock 2 ein kleinerer Innendurchmesser, bei einem Vorschub des Innenum- formwerkzeugs 9 in Richtung Hauptspindelkasten 1 ein größerer Innendurchmesser erzeugt. Bleibt die axiale Position des Innenumformwerkzeugs 9 in Relation zu den äußeren Um- formrollen 8 fix, ergibt sich als konstanter Innendurchmesser der Kontaktdurchmesser 9.1 des Innenumformwerkzeugs 9.

Der Innendurchmesser wird kleiner, wenn der Kontaktdurchmesser 9.1 kleiner wird, d.h. die axiale Position des In- nenumformwerkzeugs 9 relativ zur axialen Position der äußeren Umformwerkzeuge 8 sich derart ändert, dass sich die Umformzone auf der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs in einen Bereich mit kleinerem, an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifendem, wirksamen Werkzeugdurchmesser ver- schiebt. Dadurch kann eine größere Wanddicke geformt werden, ohne dass die äußern Umformrollen 8 ihre radiale Position verändern.

Verändern dagegen auch die äußeren Umformrollen 8 ihre ra- diale Position zu einem kleineren geformten Außendurchmesser entsprechend dem sich aus der neuen axialen Relativposition des Innenumformwerkzeugs 9 aufgrund der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9 ergebenden Innendurchmessers des Werkstücks 4, dann kann bei gleichbleibender Wanddicke ein kleinerer Außendurchmesser als vor der Änderung der radialen Position der äußeren Umformrollen 8 und der axialen Position der Innenumformrolle 9 geformt werden.

Der Innendurchmesser wird größer, wenn der Kontaktdurchmes- ser 9.1 größer wird, d.h., die axiale Position des Innenum- formwerkzeugs 9 relativ zur axialen Position der äußeren Umformwerkzeuge 8 sich derart ändert, dass sich die Umformzone auf der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs in einen Bereich mit größerem an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden wirksamen Werkzeugdurchmesser verschiebt. Dadurch kann die geformte Wanddicke Wl verkleinert werden, ohne dass die äußeren Umformwerkzeuge 8 ihre radiale Position verändern. Verändern dagegen auch die äußeren Umformrollen 8 ihre radiale Position zu einem größeren geformten Außendurchmesser entsprechend dem sich aus der neuen axialen Relativposition der Innenumformrolle 9 aufgrund der Außenkontur des inneren Umformwerkzeugs 9 ergebenden Innendurchmessers des Werk- Stücks 4, dann kann bei gleichbleibender Wanddicke ein größerer Außendurchmesser als vor der Änderung der radialen Position der äußeren Umformrollen 8 und der axialen Position der Innenumformrolle 9 geformt werden. Diese beschriebenen Grundbewegungen können beliebig aneinandergereiht werden, so dass beliebige Abfolgen der beschriebenen zylindrischen oder konischen Konturverlaufsabschnitte 3.1 entstehen. Zudem ist durch Überlagerung der beschriebenen grundlegenden Bewegungsabläufe die Formung beliebiger konischer und/oder konvexer Konturen möglich.

Sobald das Ende der Vorform 3 erreicht ist, können die äußeren Umformwerkzeuge 8 in Ausgangsposition zurück fahren. Anschließend kann die Einheit aus Hauptspindelkasten 1, Reitstock und Fertigteil 4 zurück in die Entladeposition fahren. Das fertige Werkstück 4 kann nun entspannt und entnommen werden.

Es ist weiterhin möglich, dass das innere Umformwerkzeug 9 an die Innenkontur des Werkstücks 4 angreifenden Bereichen eine Formgebung aufweist, die es ermöglicht, die Innenkontur nicht nur axial sondern auch in Umfangsrichtung zu kon- turieren. Bei einer solchen Umfangsinnenkonturierung 4.1 kann es sich beispielsweise um axial verlaufende Innenrip- pen handeln. Eine Möglichkeit der Realisierung eines solchen Innenumformwerkzeugs stellt ein Umformwerkzeug, vorzugsweise eine Rolle, mit in Umfangsrichtung konturierter , an der Innenkontur des Werkstücks 4 angreifender Oberfläche dar.

Aufgrund der axialen Verfahrbarkeit Innenumformwerkzeugs 9 relativ zu den äußeren Umformwerkzeugen 8 sind folgende Innenkonturen möglich: 1. Hohlkörper mit und ohne einseitigen Boden, mit gleichbleibenden Außen - und Innendurchmesser, 2. Hohlkörper wie unter 1, jedoch mit ein oder mehreren zylindrischen Verdickungen bei gleichbleibendem oder sich änderndem Außendurchmesser,

3. Hohlkörper wie unter 1, jedoch mit konischen, konkaven und/oder konvexen Verläufen der Wanddicken bei gleichbleibendem oder sich änderndem Außendurchmesser, Hohlkörper wie unter 1 bis 3, mit einer Konturie- rung in Umfangsrichtung, beispielsweise axial verlaufenden Innenrippen.