HORNJAK, Daniel (Warburger Strasse 44a, Paderborn, 33098, DE)
ROSTEK, Tim (Arnold Schlüter Weg 37, Paderborn, 33100, DE)
HOMBERG, Werner (Oelweg 31, Salzkotten, 33154, DE)
HORNJAK, Daniel (Warburger Strasse 44a, Paderborn, 33098, DE)
ROSTEK, Tim (Arnold Schlüter Weg 37, Paderborn, 33100, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Bearbeitung wenigstens eines Werkstücks (1) mittels wenigstens eines Werkzeugs (2), bei dem wenigstens ein Werkstück (1) und wenigstens ein Werkzeug (2) in Reibkontakt gebracht werden und durch eine Relativbewegung zwischen dem wenigstens einen Werkstück (1) und dem wenigstens einen Werkzeug (1) in der Reibzone (3) und/oder in die Reibzone (3) umgebenden Bereichen eine Temperaturerhöhung des Materials des wenigstens einen Werkstücks (1) zumindest bis zur Plastifizierung des Materials des wenigstens einen Werkstücks (1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass plastifiziertes Material des wenigstens einen Werkstücks (1), insbesondere während der fortdauernden Reibbewegung, durch Bewegung des wenigstens einen Werkzeugs (2) relativ zum wenigstens einen Werkstück (1) an dem wenigstens einen Werkstück (1) umpositioniert wird zum Aufbau einer von der ursprünglichen Werkstückform zumindest lokal abweichenden Form des wenigstens einen Werkstücks (1). 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bewegung eine von einer inneren und/oder äußeren Oberfläche des wenigstens einen Werkstücks (1 ) zumindest lokal vorspringende Materialanhäufung (9) erzeugt wird, insbesondere in der Art einer gegenüber umgebenden Bereichen erhöhten zumindest lokalen Materialanhäufung (9). 3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Reibbewegung das wenigstens eine Werkstück (1) und/oder das wenigstens eine Werkzeug (2) bewegt wird, insbesondere um eine Drehachse (4) zumindest bereichsweise gedreht wird, wobei durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (2) ein Werkzeug (2) an ein Werkstück (1) radial und/oder tangential und/oder axial angestellt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkstück (1) um eine Drehachse (4) gedreht wird, insbesondere kontinuierlich rotierend oder über einen vorgegebenen Winkel oszillierend. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug (2) an das wenigstens eine drehende Werkstück (1) axial und/oder radial und/oder tangential angestellt wird und plastifiziertes Material des Werkstücks (1) zumindest teilweise in einen Bereich in Anstellrichtung vor das wenigstens eine Werkzeug (2) und/oder zumindest teilweise in einen Bereich in Anstellrichtung neben dem wenigstens einen Werkzeug (2) verlagert wird. 6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bewegung des in axialer Richtung seitlich von dem wenigstens einen Werkzeug (2) angeordneten drehenden Teils (1a, 1b) des wenigstens einen Werkstücks (1) in axialer Richtung auf ein Werkzeug (2) zu eine in axialer Richtung seitlich neben dem Werkzeug (2) angeordnete und in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung (9) erzeugt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung (9) durch Bewegung des wenigstens einen Werkzeugs (2) in axialer und/oder radialer Richtung zumindest bereichsweise durch Reibung plastifiziert wird oder bleibt und/oder weiter verformt wird, insbesondere zur Ausbildung eines weiteren axial und/oder radial erstreckten Bereichs oder dass eine in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung (9) durch axiale Bewegung wenigstens eines Teils (1 a, 1b) eines Werkstücks (1 ) auf eine andere in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung (9) zugeschoben wird, wobei ein zwischen den Materialanhäufungen (9) liegender Bereich zuvor plastifiziert wurde. 8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch axiale und/oder radiale Bewegung eines Werkzeugs (2) und Umpositionierung plastifizierter Materialmengen eine Mantelfläche (10), insbesondere eine zylindrische, konische, konkave oder konvexe Mantelfläche (10) erzeugt wird, insbesondere welche wenigstens zwei benachbarte in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufungen (9) verbindet. 9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrfache Erzeugung von in radialer Richtung aufstehender Materialanhäufungen (9) und deren zumindest teilweisen Umformung in axialer und/oder radialer Richtung wenigstens eine in Rotationsrichtung umlaufende Kammer (11 ) innerhalb wenigstens eines Werkstücks (1), insbesondere innerhalb wenigstens eines rotationssymmetrischen Werkstücks (1) erzeugt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Rotationsrichtung umlaufende Kammern (1 ) erzeugt werden, die axial und/oder radial nebeneinander angeordnet werden / sind. 11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Verschiebung des plastifizierten Materials erzeugte radial und/oder axial offene Profilform der Werkstücks (1) vor dem Schließen durch weitere Verschiebung von plastifiziertem Material mit einem Füllstoff / Füllmaterial gefüllt wird. 12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass plastifiziertes Material des wenigstens einen Werkstücks (1) durch Bewegung eines Werkzeuges (2) an ein formdefinierendes Gegenlager (12) geschoben wird. 13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale und/oder axiale Bewegung eines Werkzeugs (2) in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des wenigstens einen drehenden Werkstücks (1) erfolgt, insbesondere zur Erstellung exzentrischer Formen des wenigstens einen Werkstücks (1) . H.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung von Prozessparametern, insbesondere zur Überwachung der Temperatur des Materials des wenigstens einen Werkstücks (1) der bei der reibenden Beabreitung entstehende Schall messtechnisch erfasst und analysiert wird, insbesondere hinsichtlich seiner spektralen Frequenzanteile und Intensitäten. 15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung von Prozessparametern axiale und/oder radiale Stellwege von Werkzeug (2) und/oder Werkstück (1) oder zwischen Werkstück (1 ) und Werkzeug (2) wirkende Kräfte oder am Werkstück (1) vorherrschende Temperaturen erfasst und ausgewertet werden. 16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung bereichsweise unterschiedlicher Plastifizierung des Materials eine lokale Kühlung oder Erwärmung insbesondere durch einen Fluidstrom erfolgt, die lokal der Erwärmung durch die Reibung entgegenwirkt oder diese unterstützt. 17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die lokale Anwendung des Reibens, Plastifizierens und der Umformung des plastifizierten Materials eine lokale Kornänderung, insbesondere Kornfeinung und / oder Härteänderung im Material erzeugt wird, insbesondere wonach die geänderten Bereiche einer weiteren, insbesondere andersartigen Umformung unterzogen werden. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung wenigstens eines Werkstücks mittels wenigstens eines Werkzeugs, bei dem das wenigstens eine Werkstück und das wenigstens eine Werkzeug in Reibkontakt gebracht werden und durch eine Relativbewegung zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug in der
Reibzone und/oder in die Reibzone umgebenden Bereichen eine
Temperaturerhöhung des Materials des Werkstücks zumindest bis zur
Plastifizierung / Erweichung des Materials des Werkstücks erzeugt wird.
Ein solches Verfahren ist z.B. als Reib-Rührschweißen bekannt, bei dem zwei zu fügende Werkstücke mit den Fügebereichen aneinanderliegend angeordnet werden und durch ein Reib-Rührwerkzeug durch das Reiben in einer Kontaktzone von Werkzeug und zu fügenden Werkstücken eine Erwärmung erzeugt wird, wobei das erwärmte Material der zu fügenden Werkstücke plastifiziert und durch eine Rührbewegung des Werkzeuges die Materialanteile beider zu fügender Werkstücke miteinander vermischt werden, wodurch sich nach Bewegung des Werkzeuges entlang der Fügerichtung eine Fügenaht ergibt.
Bei dieser Art der Zusammenfügung von zwei oder auch mehr Werkstücken erfährt keines der Werkstücke eine Umformung, d.h. das zusammengefügte Gesamtwerkstück hat nach dem Fügen dieselbe geometrische Form, wie die einzelnen vor dem Fügen aneinander gelegten Werkstücke.
Im Stand der Technik sind weiterhin Verfahren zum Umformen von Werkstücken bekannt, wie z.B. das Drücken oder Pressen, die den Nachteil mit sich bringen, dass das Formänderungsvermögen der umzuformenden Werkstücke begrenzt ist
BESTÄTIGUNGSKOPIE und es beim Umformen zu Ausfällen kommen kann. Um dem entgegen zu wirken ist es weiterhin bekannt geworden, vor- oder zwischengeschaltete
Wärmebehandlungen durchzuführen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umformung von Werkstücken bereit zu stellen, mit dem die Nachteile bekannter Verfahren überwunden werden und mit dem auf einfache konstruktive und verfahrenstechnische Weise eine Formänderung von Werkstücken erzielt werden kann. Dabei ist es weiterhin eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Umformung zu erhalten, mittels dem Formen, insbesondere Hohlstrukturen erstellt werden können, die durch andere bekannte Umformprinzipien nicht hergestellt werden können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass plastifiziertes Material des wenigstens einen Werkstücks, insbesondere während der fortdauernden
Reibbewegung, durch Bewegung des wenigstens einen Werkzeugs relativ zum Werkstück an dem wenigstens einen Werkstück umpositioniert wird zum Aufbau einer von der ursprünglichen Werkstückform zumindest lokal abweichenden Form des wenigstens einen Werkstücks.
Hier ist es der wesentliche Gedanke der Erfindung, durch eine Reibbewegung zwischen wenigstens einem Werkzeug und wenigstens einem Werkstück nicht nur eine lokale Plastifizierung des geriebenen Materials des wenigstens einen
Werkstückes am Ort und ggfs. in der Umgebung der Reibezone und damit ein Aufweichen zu erzielen, sondern durch eine relative Bewegung zwischen dem wenigstens einen Werkzeug und dem wenigstens einen Werkstück eine
Umpositionierung des plastifizierten Materials vorzunehmen.
Dabei können auch mehrere Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden, z.B. wenn diesen aneinander / ineinander / nebeneinander angeordnet und/oder befestigt sind. Z.B. können zylindrische Werkstücke ineinander angeordnet sein. Ebenso kann die Umformung mit mehreren Werkzeugen erfolgen. Z.B. kann mittels wenigstens eines Werkzeugs der Vorgang des Reibens und damit der Temperaturerhöhung durchgeführt werden, wohingegen mit wenigstens einem weiteren Werkzeug das durch die Plastifizierung aufgeweichte Material des wenigstens einen Werkstücks umpositioniert / verschoben wird. In einer konstruktiv bevorzugten Verfahrensvariante kann es vorgesehen sein, mittels ein und desselben Werkzeugs sowohl das Reiben und damit die Temperaturerhöhung durchzuführen als auch die Umpositionierung des plastifizierten Materials.
Dieses Umpositionieren kann dadurch erfolgen, dass mittels des wenigstens einen Werkzeuges die plastifizierte Masse des Materials des Werkstückes verschoben wird an eine jegliche gewünschte Stelle. Dies kann in einer Ausführung so erfolgen, dass während des Verschiebens bzw. Umpositionierens fortwährend weiterhin das Reiben mit demselben oder einem anderen Werkzeug durchgeführt wird, um die Verformbarkeit und Verschiebbarkeit der plastifizierten Materialmasse über den gesamten Verschiebeweg zu gewährleisten. So kann durch ein Bewegen des Werkzeuges die plastifizierte Masse vor dem Werkzeug in
Bewegungsrichtung hergeschoben werden, im Wesentlichen an jeden beliebigen Ort des Werkstückes, der auf dessen innerer oder äußeren Oberfläche, insbesondere unter fortwährendem Reiben erreicht werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, die Umpositionierung des plastifizierten Materials und damit das Umformen ohne fortwährendes Reiben durchzuführen, insbesondere wenn zuvor genügend Wärmeenergie in das wenigstens eine Werkstück eingetragen wurde.
In bevorzugter Ausführung kann so erfindungsgemäß durch die Bewegung des wenigstens einen Werkzeugs eine von einer, insbesondere ursprünglichen oder bereits durch vorherigen Umformung erstellten inneren und/oder äußeren
Oberfläche des wenigstens einen Werkstücks zumindest lokal vorspringende Materialanhäufung erzeugt werden, insbesondere in der Art einer gegenüber umgebenden Bereichen erhöhten zumindest lokalen Materialanhäufung. Es lassen sich so erfindungsgemäß Materialanhäufungen erstellen und in der Geometrie formen, die in der Abmessung in der Größenordnung der Abmessung oder auch größer als die Abmessungen des zu formenden Werkstücks liegen, z.B. bezogen auf die Größenordnung einer Dicke, Länge, Wandstärke etc. des Werkstückes, somit also im Bereich vieler Millimeter oder Zentimeter. Ebenso lassen sich sehr filigrane Geometrien durch das Umformen des plastifizierten Materials erzeugen.
Materialanhäufung lassen sich so z.B. in axialer Verschieberichtung vor einem Werkzeug erzeugen. In gleicher weise lassen sich Materialmengenreduzierungen z.B. in axialer Verschieberichtung hinter einem Werkzeug erzeugen.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass eine Bewegung des wenigstens einen
Werkzeugs als jegliche Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück zu verstehen ist. Dabei kann die Bewegung eines Werkzeuges genutzt werden, um zum einen das plastifizierte Material zu verschieben und zum anderen zu formen, z.B. dadurch, dass das Werkzeug lediglich an eine Materialanhäufung aus plastifiziertem Material herangedrückt wird ohne eine örtliche Verlagerung zu bewirken. Insbesondere wird die Bewegung eines Werkzeugs genutzt um durch Reibung die Temperatur des wenigstens einen Werkstücks zumindest bis zur Plastifizierung zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass zur Erzeugung einer Reibbewegung das wenigstens eine Werkstück und/oder das wenigstens eine Werkzeug bewegt, z.B. um eine Drehachse zumindest bereichsweise gedreht wird, wobei durch eine weitere Relativbewegung zwischen Werkstück und
Werkzeug ein Werkzeug an ein Werkstück radial und/oder tangential und/oder axial angestellt wird. Das Anstellen kann dabei zum Beispiel von außen erfolgen, bei Werkstücken, die eine ursprüngliche oder im Rahmen dieses Verfahrens gebildete Hohlform aufweisen, auch von innen. Die relative Bewegung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück zum Zweck der Reibung kann statt eine drehenden Bewegung auch eine lineare Bewegung sein.
Eine konstruktiv und verfahrentechnisch einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn das wenigstens eine Werkstück um eine Drehachse gedreht wird, insbesondere kontinuierlich rotierend oder über einen vorgegebenen Winkel oszillierend. Z.B. kann dies erreicht werden, wenn das wenigstens eine Werkstück in eine
Drehmaschine eingespannt wird. Bevorzugt kann es sich dann bei Werkstücken um rotationssymmetrische Werkstücke handeln, wie z.B. Rohre oder Stäbe mit rundem Querschnitt, wobei diese Querschnittsform nicht zwingend ist. Ebenso lassen sich Werkstücke mit beliebigen mehreckigen Querschnitt nutzen und mit diesem Verfahren umformen.
Als ein Werkzeug kann jegliches Element eingesetzt werden, dass bevorzugt nicht-spanend an das drehende Werkstück angestellt werden kann. Ein solches Werkzeug kann z.B. starr sein und z.B. ein stumpfes Ende aufweisen, das z.B. plan, ballig, konvex oder konkav ausgebildet sein kann. Wesentlich ist lediglich, dass das Material des Werkstücks bei einer geringeren Temperatur plastifiziert als das Material des Werkzeugs, damit eine effektive Materialumformung und
Verschiebung nur auf Seiten des Werkstücks erfolgt. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Werkzeug aktiv gekühlt wird oder eine die
Plastifizierungstemperatur beeinflussende Beschichtung aufweist.
Ein Werkzeug kann auch flexibel ausgebildet sein. Z.B. kann ein Werkzeug, insbesondere ein solches zur Erzeugung der Reibung durch einen Riemen oder ein Band gebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass es sich während des Reibens oder auch einer Verformung mit einem größeren Formschluß an ein Werkstück anlegt. Ein Riemen oder ein Band kann auch einen größeren Umfangsbereich eines Werkstücks gleichzeitig kontaktieren.
Demnach können bei geeigneter Auswahl der Materialpaarungen von Werkstück und Werkzeug im Wesentlichen beliebige Materialien auf Seiten des Werkstücks verformt bzw. umgeformt werden, insbesondere Metalle und Kunststoffe.
Bevorzugt können Leichtmetalle, wie Aluminium oder Magnesium mit diesem Verfahren umgeformt werden. In einer bevorzugten Verfahrensvariante kann es vorgesehen sein, dass ein Werkzeug an das wenigstens eine drehende Werkstück axial und/oder tangential und/oder radial angestellt wird und plastifiziertes Material des wenigstens einen Werkstücks zumindest teilweise in einen Bereich in Anstellrichtung vor das Werkzeug und/oder zumindest teilweise in einen Bereich in Anstellrichtung neben dem Werkzeug verlagert wird. Auch hier kommt es im Wesentlichen nur auf eine relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, bzw. Werkstückteilen an.
Gerade bei einem oder mehreren umlaufend rotierenden Werkstück/en ergibt sich durch ein reibendes Werkzeug ein ringförmiger (bei Hohlformen) oder
scheibenförmiger (bei Vollformen) plastifizierter Bereich innerhalb des
Werkstückes. Hier kann durch eine Relativbewegung der axial beidseitig dieses Bereiches angeordneten Werkstückteile aufeinander zu in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse bewirkt werden, dass der plastifizierte Materialbereich gestaucht wird und demnach das plastifizierte Material dieses Bereiches in radialer Richtung ausweicht. Es kommt somit bei einer solchen axialen Auf- einander-zu-Bewegung zu einer in radialer Richtung aufstehenden
Materialanhäufung am Ort bzw. in der Umgebung der Reibzone. Eine solche Materialanhäufung kann bei Vollprofilen als Werkstück radial nach aussen aufstehen, bei Hohlprofilen als Werkstück radial nach innen und/oder nach aussen.
In axialer Richtung können die Werkstückteile beidseits eines plastifizierten Bereichs auch voneinander wegbewegt werden, so dass dies zu einer
Materialmengenreduzierung im plastifizierten Bereich führt.
Bei allen axialen Bewegungen kommt es nur auf die relative Bewegung an, d.h. es kann einer der Werkstückteile ortsfest verbleiben, wobei der andere axial bewegt wird.
Bei oszillierenden relativen Bewegungen zwischen wenigstens einem Werkstück und wenigstens einem Werkzeug kommt es nicht zu einer umlaufenden Erwärmung und Plastifizierung, sondern im Wesentlichen nur zu einer lokalen Plastifizierung, insbesondere die im Wesentliche auf einen Bereich in der Größe der Oszillationsamplitude oder kleiner beschränkt ist. Solche lokal plastifizierten Bereiche können nur lokal bearbeitet und umgeformt werden, z.B. zur Erstellung von Ausnehmungen, Vertiefungen oder lokalen Anhäufungen von Material.
Material kann über größere Bereiche als die Oszillationsamplitude verschoben oder umgefromt werden, wenn der Ort der Oszillation entlang einer z.B. axialen oder tangentialen Erstreckung des Werkstücks kontinuierlich verlagert wird und somit auch der Ort der Plastifizierung mitwandert.
Bei gleichzeitig weiterhin angestelltem Werkzeug kann durch Bewegung des axial seitlich von dem Werkzeug angeordneten drehenden Teils des Werkstücks in axialer Richtung auf das Werkzeug zu eine in axialer Richtung seitlich neben dem Werkzeug angeordnete und in radialer Richtung, insbesondere nach innen und/oder aussen aufstehende Materialanhäufung erzeugt werden.
Eine durch einen der vorherig genannten Verfahrenschritte erstellte
Materialanhäufung kann z.B. durch das Werkzeug verschoben, d.h. nahezu beliebig entlang der Drehachse verlagert werden oder auch am Ort der Erzeugung weiter geformt werden.
Durch die Breite des geriebenen und plastifizierten Bereiches und somit die Menge des plastifizierten Materials, ebenso wie durch die Weite der axialen Verschiebung wenigstens eines seitlich zum plastifizierten Bereich angeordneten Werkstückteils kann dabei bestimmt werden, welche radiale Höhe und/oder axiale Breite die aufstehende Materialanhäufung erhält.
Beispielsweise lassen sich durch eine solche Vorgehensweise unmittelbar einstückige Flansche an das Werkstück anformen und zwar sowohl am
Endbereich als auch in beliebige Lage entlang der axialen Erstreckung. Die axiale Bewegung eines Werkstückes oder auch nur eines Werkstückteils seitlich von einem plastifizierten Bereich kann z.B. durch Bewegung einer Spindel erfolgen oder eine Drehfutters, in welchem das Werkstück aufgenommen ist.
Selbstverständlich lassen sich solche Materialanhäufungen mehrfach axial beabstandet an einem Werkstück erstellen. Es kann dann auch vorgesehen sein, dass eine in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung durch axiale Bewegung wenigstens eines Teils eines Werkstücks auf eine andere in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung zugeschoben wird, wenn ein zwischen den Materialanhäufungen liegender Bereich zuvor, insbesondere durch Reibung plastifiziert wurde. So lassen sich die Materialanhäufungen kombinieren und die Menge des angehäuften Materials erhöhen, z.B. für nachfolgende
Umformungsschritte oder sonstige folgende Bearbeitungen.
Vorteilhafter Weise ergibt sich durch die Erfindung auch die Möglichkeit, eine in axialer Richtung seitlich neben dem Werkzeug angeordnete und in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufung durch Bewegung des Werkzeugs in axialer und/oder radialer Richtung zumindest bereichsweise durch Reibung im plastifizierten Zustand zu halten oder nach Abkühlung erneut zu plastifizieren und sodann weiter zu verformen, insbesondere zur Ausbildung eines weiteren axial und/oder radial erstreckten Bereichs.
Allgemein hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es jederzeit abgebrochen und - auch nach einer Abkühlung - wieder aufgenommen werden kann.
In beispielhafter Anwendung kann es vorgesehen sein, durch axiale und/oder radiale Bewegung eines Werkzeugs und Umpositionierung plastifizierter
Materialmengen eine z.B. zylindrische, konische, konvexe oder konkave
Mantelfläche oder Freiformfläche zu erzeugen. Eine solche Fläche, insbesondere die sich axial erstreckt, kann z.B. auch so erzeugt werden, dass sie wenigstens zwei zuvor erstellte axial benachbarte in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufungen verbindet . So kann durch mehrfache Erzeugung von in radialer Richtung aufstehender Materialanhäufungen und deren zumindest teilweisen Umformung in axialer Richtung wenigstens eine in Rotationsrichtung umlaufende Kammer innerhalb eines insbesondere
rotationssymmetrischen Werkstücks erzeugt werden. Durch mehrfache
Anwendung dieses Umformungsprinzips in axialer und/oder radialer Richtung können auch mehrere in Rotationsrichtung umlaufende Kammern erzeugt werden, die axial und/oder radial nebeneinander innerhalb des Werkstückes angeordnet sind.
Hier hat das Verfahren gegenüber dem Stand der Technik besondere Vorteile, da solche geschlossenen Kammern, insbesondere solche ohne innere Stege nicht durch andere übliche Verfahren erstellt werden können, insbesondere nicht durch Gießen oder spanende Bearbeitung.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass eine durch Verschiebung des plastifizierten Materials erzeugte radial und/oder axial offene Profilform der Werkstücks vor dem Schließen durch weitere Verschiebung von plastifiziertem Material mit einem Füllstoff / Füllmaterial gefüllt wird.
Eine Formgebung kann bei diesem Verfahren auch dadurch erfolgen, dass plastifiziertes Material des wenigstens einen Werkstücks durch Bewegung eines Werkzeuges an ein formdefinierendes Gegenlager geschoben wird. Ein solches Gegenlager kann z.B. als Negativform der späteren gewünschten Form
ausgebildet sein. Das Gegenlager kann mit dem Werkstück mitrotierend
ausgebildet sein oder auch drehfest dazu sein, was den Vorteil bildet, dass über die gesamte Oberfläche der späteren gewünschten Form Reibkräfte wirken und so das Material bis zum Ende des Formungsvorganges plastifiziert gehalten wird.
Um Formgestaltungen zu erzielen, die von einer Rotationssymmetrie abweichen kann es in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Bewegung eines Werkzeuge, insbesondere eine radiale und/oder tangentiale und/oder axiale Bewegung eines Werkzeugs in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des wenigstens einen drehenden Werkstücks erfolgt. Beispielsweise können so auch exzentrische Formen bzw. Umformungen eines Werkstücks hergestellt werden, wie z.B. Nocken. Dabei sind mit dem Verfahren auch exzentrische Hohlformen möglich, z.B. hohle Nocken, was z.B. im Motorenbau zu signifikanten
Gewichtseinsparungen führen kann.
Insgesamt kann es bei diesem Verfahren vorgesehen sein, die Oberflächengüte der umgeformten Werkstückes durch die relative Bewegungsgesehwindigkeit zwischen Werkstück und Werkzeug, insbesondere durch die
Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks einzustellen auf ein gewünschtes Maß.
Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, die Prozeßparameter, wie z.B. die Bewegungsgeschwindigkeit, insbesondere Bahngeschwindigkeit bei der Rotation und/oder die Andrückkräfte beim Anstellen des Werkzeugs an das Werkstück und oder die Temperatur des Werkstückes in der Reibzone zu überwachen. Hierfür können entsprechende Sensoren zur Aufnahme der betreffenden Meßgröße vorgesehen sein, deren Signal einer Auswertung unterzogen wird und anhand der eine Regelung eines oder mehrerer Prozessparameter erfolgt..
In einer bevorzugten Ausführung kann es vorgesehen sein, bei der reibenden Bearbeitung entstehenden Schall messtechnisch zu erfassen und zu analysieren, insbesondere hinsichtlich seiner spektralen Frequenzanteile und /oder
Intensitäten, insbesondere um in Abhängigkeit hiervon die Prozessparameter, wie Temperatur und/oder Reibkraft und/oder Stellwege und/oder
Rotationsgeschwindigkeit etc. zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um akustischen über die Luft übertragenen Schall oder auch Körperschall handeln. So hat sich nämlich gezeigt, dass unterhalb einer erreichten
Plastifizierung die Schallemission anders ausfällt hinsichtlich Spektrum und Intensität als bei einer ausreichenden Plastifizierung oder bei einer zu hohen Temperatur. Insbesondere Rotationsgeschwindigkeit oder allgemein die Relativgeschwindigkeit zischen Werkzeug und Werkstück und/oder die Anstellkraft kann demnach in Abhängigkeit von Spektrum und Intensität des Schalls geregelt werden.
Ebenso ist es möglich, die Temperatur berührungslos zu messen, z.B.
pyrometrisch, um eine optimale Einregelung der Betriebsparameter zu erzielen.
Zur Erzielung einer bereichsweise unterschiedlichen Plastifizierung des Materials kann eine lokale Kühlung oder Erwärmung, insbesondere durch einen Fluidstrom, z.B. Luftstrom erfolgen, die lokal der Erwärmung durch die Reibung entgegenwirkt oder diese unterstützt.
Weiterhin kann auch durch die lokale Anwendung des Reibens, Plastifizierens und der Umformung des plastifizierten Materials eine lokale Kornänderung,
insbesondere Kornfeinung und / oder Härteänderung im Material erzeugt werden. Es besteht so eine Möglich, die Rahmen dieser Erfindung geänderten Bereiche eines Werkstücks nachträglich einer weiteren, insbesondere andersartigen
Umformung zu unterziehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren
dargestellt. Es zeigen:
Fig.1 : Eine Anwendung der Umformung durch axiale Bewegung eines
Werkzeuges relativ zum Werkstück
Fig. 2: Formungsstadien bei radialer und axialer Bewegung eines nicht
dargestellten Werkzeugs.
Fig. 3: Die Schallemission bei der Bearbeitung
Die Figur 1 zeigt in den Teilabbildungen a bis c und d bis f zwei verschiedene Anwendung des Verfahrens. Gemäß Figur 1 a) wird ein Hohlzylinder 1 als Werkstück in Rotation versetzt und ein Werkzeug 2, hier als Scheibe mit mittigem Vorsprung in axialer Richtung an die Stirnseite des Werkstücks 1 angestellt, wie es Figur 2 zeigt. Durch die Reibung entsteht stirnseitig eine Zone 3 von plastifizierten Material aufgrund der
Temperaturerhöhung. Durch eine axial wirkende Kraft F entlang oder parallel zur Drehachse 4 wird eine radial aufstehende Materialanhäufung 6 erzielt, die ggfs auch mit einem weiteren in radialer Richtung angestellten Werkzeug 5 bearbeitet, d.h. geformt werden kann, z.B. um einen Flansch 6 zu bilden. Das Werkzeug 5 kann in diesem Fall, sowie auch mit allgemeiner Gültigkeit auch als Rolle, insbesondere gebremste oder auch angetriebene Rolle ausgebildet sein.
Figur 1 d) zeigt als rotiertes Werkstück 1 eine Platte, an die in axialer Richtung ein Werkzeug 2 angestellt wird. Hier kann die Platte zwischen zwei Drehaufnahmen 7a, 7b eingespannt sein, wobei die rechte Aufnahme 7b eine Negativform und damit ein formdefinierendes Gegenlager 12 darstellt. Durch das Reiben wird ein rotierender plastifizierter Bereich 3 erzeugt, wobei dieses Material durch axiale Bewegung auf die Negativform 7b bzw. 12 zugeschoben wird und sich außen an die Negativform anlegt, so dass das Material exakt diese Form erhält.
Figur 2 zeigt Umformungsstadien bei der Umformung eines zylindrischen
Hohlprofils als Werkstück 1 , welches ebenso in Rotation versetzt wird, z.B. in einer Drehmaschine.
An der markierten Stelle 8 wird in radialer Richtung ein nicht gezeigtes Werkzeug an das Werkstück 1 angestellt, welches durch Reiben an der Stelle 8 eine ringförmige Zone von plastifizierten Material an dieser Stelle erzeugt. Es werden nun die beiden links und rechts vom Werkzeug, bzw. von der Reibzone
angeordneten Teil 1a und 1 b des Werkstücks gleichzeitig oder auch nacheinander in axialer Richtung gemäß den Pfeilen aufeinander zu bewegt, so dass das plastifizierte Material in der Reibzone gestaucht wird und in radialer Richtung ausweicht, nämlich sowohl linksseitig als auch rechtseitig vom Werkzeug und jeweils in radialer Richtung aufstehende Materialanhäufungen 9 bildet. Durch ein Anstellen des Werkzeugs in axialer Richtung an jeweils diese beiden
Anhäufungen 9, insbesondere nur in einem oberen, d.h. radial außen liegenden Bereich wird jeweils dieser Bereich durch Reibung plastifiziert und kann in
Richtung auf die benachbarte Anhäufung 9 zu verschoben werden. Es bildet sich so eine geschlossene zylindrische Mantelfläche 10 um das ursprüngliche hohlzylindrische Werkstück 1 herum, so dass im Werkstück 1 eine ringförmige umlaufende Kammer 11 gebildet ist. Solche Kammern können auch mehrfach sowohl axial als auch radial nebeneinander liegend erstellt werden.
Figur 3 zeigt eine realisierte Prozessüberwachung. Im oberen Bereich ist die z.B. mit einem Mikrofon aufgenommene Schallintensität gegen die Zeit dargestellt. Erkennbar ist, dass zu Beginn des Reibens, wenn noch keine genügende
Plastifizierung bzw. genügend hohe Temperatur erzielt ist eine laute
Schallemission verzeichnet wird, hier im Bereich a). Das zugehörige
Frequenzspektrum, das z.B. durch Fouriertransformation errechnet werden kann zeigt für diesen Fall, besonders im hochfrequenten Bereich eine signifikant andere Form des Spektrums, irn Vergleich zum Bereich b), wenn eine ausreichende Plastifizierung erzielt wurde. Diese beiden Bereiche lassen sich demnach gut akustisch unterscheiden, so dass eine Regelung der Prozessparameter anhand der Schallemission, insbesondere in Abhängigkeit der Intensität und/oder der Frequenzanteile erfolgen kann. Auch der Bereich c) liegt ausserhalb optimaler Bedingungen und erzeugt hochintensive spektrale Spitzen im Frequenzspektrum.
Next Patent: BELT TENSIONER WITH AN OVERLOAD CLUTCH