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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen eines hohlen Werkstücks mit
wenigstens einem offenen Ende, wobei das Werkstück in einer Spannvorrichtung
eingespannt ist, wenigstens ein Formwerkzeug in Kontakt mit einer
Wand des Werkstücks
platziert ist, das Werkstück
und das Formwerkzeug um eine Achse relativ zueinander gedreht werden
und das Werkstück
mittels des Formwerkzeugs verformt wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Formvorrichtung gemäß des Oberbegriffs
von Patentanspruch 9, mittels derer ein hohles Werkstück mit wenigstens
einem offenen Ende verformt werden kann und sie betrifft eine Katalysatoreinheit
für ein Fahrzeug.
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Ein
derartiges Verfahren und eine solche Formvorrichtung sind zum Beispiel
aus der europäischen
Patentanmeldung
EP 0 916 428 bekannt.
Die besagte Patentanmeldung offenbart eine Formvorrichtung umfassend
einen formgebenden Kopf, der um eine Rotationsachse gedreht wird,
wobei das besagte Ende durch Drücken
der Walzen in Radialrichtung (relativ zur Rotationsachse) gegen
den äußeren Metallzylinder
und mehrmaliges Bewegen der Walzen entlang der Außenseite,
während
der radiale Abstand zwischen den Walzen und der Rotationsachse in
jedem Umlauf abnimmt, verformt wird, wodurch eine Reduzierung des
Durchmessers erzielt wird. Da sich die Rotationsachse in einem Winkel
zur Mittelachse des Metallzylinders erstreckt, wird das Ende des
Zylinders nicht nur als Folge der Radialbewegung der Walzen verkleinert,
sondern zusätzlich
wird dieses Ende in einem Winkel angeordnet. Aufgrund der Verwendung
der vorstehenden Abläufe
nimmt das Werkstück
in Schritten die Form des Endprodukts an.
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Die
EP 0 916 426 offenbart ein
vergleichbares Verfahren und eine vergleichbare Formvorrichtung,
bei denen die Rotationsachse zur Mittelachse des Metallzylinders
exzentrisch versetzt ist. Auf diese Art und Weise wird ein Produkt
erzielt, bei dem die Mittelachse des verformten Teils gleichermaßen von der
Mittelachse des unverformten Teils des Metallzylinders versetzt
ist.
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Das
vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung können zum
Beispiel bei der Herstellung von Gehäusen für Katalysatoren verwendet werden,
die einen Teil des Abgassystems von Fahrzeugen, wie beispielsweise
Autos, bilden. Der Durchmesser derartiger Katalysatoren ist größer als
der Durchmesser der Rohre des Abgassystems, von dem sie ein Teil
sind, und sie sind vorzugsweise nahe des Motorblocks positioniert,
um ihre Betriebstemperatur so schnell wie möglich zu erreichen, nachdem der
Motor gestartet wurde, und um diese Temperatur so gut wie möglich zu
halten. Eine erste Folge davon ist, dass der Durchmesser der Verbindungen
auf jeder Seite des Katalysatorgehäuses reduziert werden muss,
um eine saubere Verbindung mit dem Rest des Abgassystems zu erzielen,
während
die Verbindungen darüber
hinaus oftmals eine komplizierte Form aufweisen müssen, um
in der Lage zu sein, sie in Bezug auf den Motorblock optimal zu
positionieren.
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Die
zuvor genannten bekannten Verfahren und Formvorrichtungen zum Herstellen
von Werkstücken
mit wenigstens einem verformten Ende gestatten nur kreisförmige Vorgänge, was
unangemessen ist, wenn man die zunehmend komplexen Formen betrachtet,
die Entwickler benötigen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gestaltungsfreiheit
wenigstens in Bezug auf die Form zu verbessern.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
ist das Verfahren, wie es im ersten Absatz beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet,
dass sich das Werkzeug während wenigstens
eines Teils des Verformvorgangs in Bezug auf die Achse mit einer
Frequenz vor und zurück bewegt
werden, die im wesentlichen gleich oder ein Mehrfaches der Rotationsfrequenz
des verformten Teils oder des zu verformenden Teils des Werkstücks um die
vorgenannte Achse ist. Die Steuerung der Formvorrichtung gemäß der Erfindung
ist entsprechend ausgestaltet.
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Wie
es in den folgenden Beispielen genau erläutert werden wird, ist es auf
diese Art und Weise möglich,
komplexere Formen, wie beispielsweise ovale, dreieckige oder polygonale
Formen oder daraus erhältliche
Formen, zu realisieren. Zusätzlich
ist es möglich,
das Werkstück
derart zu verformen, dass die Mittelachse des verformten Teils des
Werkstücks in
einem Winkel oder exzentrisch zum unverformten Teil positioniert
sein wird, während
es auch möglich ist,
vor oder während
des Vorgangs einen Einsatz in dem offenen Ende des Werkstücks zu positionieren. Ein
derartiger Einsatz kann dazu dienen, einen speziellen Vorgang zu
erleichtern oder zu ermöglichen und/oder
er kann einen Teil des Endprodukts bilden.
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Vorzugsweise
wird das Werkstück
gedreht, während
das Werkzeug translatorisch bewegt wird, wobei das Werkzeug während der
translatorischen Bewegung in der Rotationsrichtung stationär verbleibt.
Dies ermöglicht
es, den Verformvorgang auf relativ einfache Art und Weise möglicherweise
vollständig
oder teilweise mittels bestehender Geräte und Werkzeuge durchzuführen.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
genauer erläutert, die
mehrere Ausführungsformen
des Verfahrens und der Formvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigen.
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1 ist
eine schematische Draufsicht einer ersten Formvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit zwei Werkzeugen und einer drehbaren Spannvorrichtung.
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2a–3c zeigen
eine Seitenansicht verschiedener Verfahrensschritte des Verfahrens
gemäß der Erfindung,
das mit der Formvorrichtung gemäß 1 ausgeführt wird.
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4 ist
eine teilweise geschnittene Draufsicht eines Verfahrensschritts
zu einem Katalysator.
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5 ist
ein Querschnitt einer fertigen Katalysatoreinheit.
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6 ist
eine schematische Draufsicht einer zweiten Formvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit drei Werkzeugen und einer drehbaren Spannvorrichtung.
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7a–7c sind
Seitenansichten verschiedener Verfahrensschritte des Verfahrens
gemäß der Erfindung,
das mit der Formvorrichtung gemäß 6 durchgeführt wird.
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Insofern
Teile in den verschiedenartigen Ausführungsformen identisch sind
oder die gleiche Funktion erfüllen,
werden diese Teile konsistent mit den gleichen Ziffern bezeichnet.
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Die 1 und 2 zeigen eine Formvorrichtung 1,
umfassend eine Spannvorrichtung 2 zum Einspannen eines
Werkstücks,
wie beispielsweise des dargestellten bereits verformten Metallzylinders 3. Die
Spannvorrichtung 2 kann um eine imaginäre Achse 5 zum Beispiel
mittels eines Elektromotors, der innerhalb des Gehäuses 4 vorgesehen
ist, gedreht werden. Auf jeder Seite des Werkstücks 3 ist ein Formwerkzeug,
wie beispielsweise eine formgebende Walze 6, 6', die auf einem
entsprechenden Halter 7, 7', der in einem oberen Schlitten 8 in
einem Gehäuse 9 angebracht
ist, vorgesehen. Der obere Schlitten 8 und somit die formgebenden
Walzen 6 können über eine
Führung
vor und zurück
bewegt werden, zum Beispiel mittels eines hydraulischen Stellmotors,
und zwar in einer Richtung, die sich in einem Winkel von zum Beispiel
45 bis 90° zur
Achse 5 erstreckt, wobei diese Richtung im Folgenden als
die Y-Richtung bezeichnet werden wird. Das Gehäuse 9 ist auf einem
unteren Schlitten 10 (siehe 2)
angebracht, der Faltenbalge 11 umfasst und auf einer Führung 12 angebracht
ist, die wiederum einen Teil des Maschinenbetts 13 bildet.
Der untere Schlitten 10 kann wiederum zum Beispiel mittels
eines hydraulischen Stellmotors über
die besagte Führung 12 vor und
zurück
bewegt werden, und zwar in einer Richtung, die sich senkrecht zur
Richtung der Bewegung des oberen Schlittens 8 erstreckt,
wobei diese Richtung im Folgenden als X-Richtung bezeichnet werden
wird.
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Anstelle
der Verwendung der dargestellten Anordnung ist es auch möglich, das
Gehäuse
derart zu positionieren, dass es in der Lage ist, sich in X-Richtung
translatorisch zu bewegen. In diesem Fall können die formgebenden Werkzeuge
in dieser Richtung stationär
verbleiben. Bezüglich
weiterer Details einer geeigneten Anordnung aus formgebenden Walzen
und den zugehörigen
Schlitten und Antriebseinrichtungen wird auf die europäische Patentanmeldung
EP 0 125 720 Bezug genommen.
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Mit
dem Vorgang, der in den 2a bis 2c dargestellt
ist, wird ein hohler Metallzylinder 3 mit einer ovalen
Querschnittsform gebildet. Dieser ovale Zylinder 3 wird
mit einer geeigneten Geschwindigkeit gedreht, wobei die formgebenden
Walzen 6, 6' gegen
seine Außenwand
gedrückt
werden. Die formgebenden Walzen 6, 6' werden derart
gesteuert, dass sie sich in Y-Richtung
mit einer Frequenz translatorisch vor und zurück bewegen, die zweimal so hoch
ist wie die Rotationsfrequenz des ovalen Zylinders 3. Die
Extrempositionen dieser Bewegung werden durch den kürzesten
bzw. längsten
Radius R1 bzw. R2 des Außenumfangs
des ovalen Zylinders 3 bestimmt. Die Beschleunigung der
formgebenden Walzen 6, 6' wird derart eingestellt, dass
die formgebenden Walzen 6, 6' anfänglich nur der Außenwand des
Werkstücks
folgen. Daraufhin können
die formgebenden Walzen 6, 6' und der ovale Zylinder 3 relativ
zueinander in X-Richtung bewegt werden, zum Beispiel derart, dass
die formgebenden Walzen 6, 6' anfänglich vom Ende des Werkstücks 3 einen
gewissen Abstand entfernt sind und sich dann in Richtung dieses
Endes bewegen. Während
dieser Bewegung kann der fragliche Teil des Werkstücks durch
Einstellen der translatorischen Hin- und Herbewegung der formgebenden
Walzen 6, 6' verformt
werden.
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In
Bezug auf die Form, die in 2b dargestellt
ist, bedeutet das, dass die zwei Extrempositionen der Bewegung jeder
formgebenden Walze 6, 6' weiter und weiter in Richtung
der Achse 5 verschoben werden. Soll der ovale Zylinder 3 ein
kreisförmiges
Ende erhalten, wird die Amplitude der translatorischen Hin- und
Herbewegung langsam abnehmen und schließlich in einem konstanten Abstand
von der vorgenannten Achse 5 enden. Durch zusätzliches Verschieben
beider Extrempositionen der in der Zeichnung rechten formgebenden
Walze 6 in Richtung der Achse 5, wie es in 2c dargestellt
ist, während
andererseits die Extrempositionen der linken formgebenden Walze 6' von dieser
Achse weg verschoben werden, wird der deformierte Teil des Zylinders 3 in
einem Winkel in Bezug auf den unverformten Teil positioniert werden.
Unter anderem abhängig
von den Materialeigenschaften, der Wandstärke, dem Betrag der Verformung
und der Durchmesserreduzierung wird der Vorgang in mehr oder weniger
Durchläufen
oder Schritten ausgeführt
werden.
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Die 3 zeigt die Verformung des Endes eines
hohlen Metallzylinders mit quadratischem Querschnitt, und zwar derart,
dass die Querschnittsform allmählich
in eine kreisförmige
Querschnittsform mit einem (merklich) kleineren Durchmesser übergeht.
Auch in diesem Fall bewegen sich die formgebenden Walzen 6, 6' zwischen zwei
Extrempositionen entsprechend einer Hälfte des Schenkels des Quadrats
und einer Hälfte
einer Diagonalen des Quadrats, die mit R1 bzw. R2 gekennzeichnet
sind. Während
eines ersten Durchgangs der formgebenden Walzen 6, 6' um das Werkstück 3 werden
diese Werte um eine Prozentzahl reduziert und zusätzlich eine Querschnittsform
erteilt, bei der die Ecken bereits geringfügig abgerundet sind. Schließlich wird
die in den 3a bis 3c dargestellte
Form durch Wiederholen dieser Bewegung und Erteilen eines in Richtung
des Endes abnehmenden Durchmessers und einer zunehmend runden Querschnittsform
erzielt.
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Im
Gegensatz zu den Verfahren und Formvorrichtungen des Stands der
Technik ist es mit dem Verfahren und der Formvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
einen Einsatz in dem hohlen Werkstück zu platzieren, in diesem
Fall einem kreisförmigen
Metallzylinder 3, wie er in 4 dargestellt
ist, und diesen in einer gewünschten
Position in Bezug auf diesen kreisförmigen Zylinder 3 zu
halten. Dazu ist die Formvorrichtung 1 mit einer Spannvorrichtung 14 versehen,
die drehbar auf der Achse 5 in einem Gehäuse 15 angebracht
ist, das sich mittels eines Schlittens (nicht dargestellt) über zwei
Führungsschienen 16,
die mit der Achse 5 auf gleicher Linie liegen, vor und
zurück
bewegt werden kann. Die Spannvorrichtung 14 kann um die
imaginäre
Achse 5, zum Beispiel mittels eines Elektromotors (nicht dargestellt)
oder durch mechanisches Koppeln der Spannvorrichtung 14 mit
der Spannvorrichtung 2 oder dessen Antriebsmechanismus
gedreht werden. Die Spannvorrichtung 14 ist mit einem exzentrischen Klemmstück 17 versehen,
mit dem der Einsatz eingespannt werden kann. Dazu kann das Klemmstück zum Beispiel
auf eine Art und Weise, die per se bekannt ist, mit einem spreizbaren
ringförmigen
Element versehen sein.
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Bei
dem dargestellten Beispiel besteht der Einsatz aus einem inneren
Gehäuse 18 für eine Katalysatoreinheit 21,
wobei das innere Gehäuse
bereits unter Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
verformt wurde und einen sogenannten Katalysatorbaustein oder einen
sogenannten Katalysatorträger
und eine zugehörige
Isolationshülle 20 umfasst.
Die Enden des inneren Gehäuses 18 sind
in ihrer Form konisch, wobei sich der Kegel in einem Winkel zur
Mittelachse des inneren Gehäuses 18 erstreckt,
die mit der Achse 5 zusammenfällt. Das innere Gehäuse 18 und
der kreisförmige
Zylinder 3 können
statt der kreisförmigen
zylindrischen Querschnittsform auch eine Querschnittsform aufweisen,
wie sie in den 2a bis 2c dargestellt ist.
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Während des
Verformvorgangs folgen die formgebenden Walzen 6, 6' fünf Bahnen,
und zwar zum Beispiel auf eine Art und weise, die mit der, wie sie
in den 2a bis 2c dargestellt
ist, vergleichbar ist, und verformen so das Ende des Zylinders 3 zu
einem Kegel, der sich im großem
Maß parallel zum
linken Ende des inneren Gehäuses 18 erstreckt. Die äußersten
Teile der Enden liegen so eng aneinander an, dass das innere Gehäuse 18 in
dem Zylinder 3 eingespannt wird. Daraufhin kann der Zylinder 3 und
das darin eingespannte innere Gehäuse 18 umgedreht und
wiederum in der Spannvorrichtung 2 festgelegt werden, so
dass das andere Ende bearbeitet werden kann. Somit wird der Katalysator 21,
der in 5 dargestellt ist, erzielt, welcher eine gute
Isolation des Katalysatorbaustein oder Trägers 19 ermöglicht.
Andere Teile, wie beispielsweise ein Isolationsfüllstoff 22, können zwischen
der Außenwand
des inneren Gehäuses 18 und
der Innenwand des Zylinders 3 eingebracht werden. Es ist
auch möglich,
einen Einsatz zu verwenden, der nicht hinter dem Werkstück verbleibt,
sondern der nur während
des Verformvorgangs im Werkstück
vorhanden ist, um die Innenwand des Werkstücks zu stützen oder zu bearbeiten.
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Aus
dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass das Verfahren und die Formvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung neue Möglichkeiten
schaffen und es gestatten, zusammengesetzte Produkte herzustellen,
die komplexe Formen aufweisen. Im Prinzip ist es möglich, zu
diesem Zweck existierende Geräte
zu nutzen.
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6 zeigt
eine zweite Formvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der drei formgebende Walzen 6, 6', 6'' in einem Rahmen 23 so
angeordnet sind, dass die Kontaktpunkte der formgebenden Walzen 6, 6', 6'' über den Umfang des Werkstücks 3 gleich
beabstandet verteilt sind, wobei das Werkstück im vorliegenden Fall aus
einem Metallzylinder mit dreieckigem Querschnitt und abgerundeten Kanten
besteht. Durch eine translatorische Hin- und Herbewegung der formgebenden
Walzen 6, 6', 6'' mit einer Frequenz, die dreimal
der Rotationsfrequenz des Werkstücks 3 entspricht,
zusammen mit der Hin- und Herbewegung in Radialrichtung zwischen
Extrempositionen, die der Hälfte
des größten Durchmessers
und der Hälfte
des kleinsten Durchmessers des Werkstücks entsprechen, ist es möglich, der
Außenfläche des
Zylinders 3 zu folgen und diese zu verformen. Die Bewegung
des Rahmens 23 und des Werkstücks 3 in X-Richtung
parallel zur Achse 5 in Bezug aufeinander ermöglicht es,
mehreren Bahnen zu folgen und somit die endgültige verjüngte und kreisförmige Querschnittsform
an den Enden des Werkstücks 3 zu
erzeugen.
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Die
oben beschriebenen Formvorrichtungen umfassen alle eine Steuereinheit.
Eine solche Steuereinheit ist zum Beispiel angeordnet, um die Einrichtung
zur Bewegung in X- und Y-Richtung und in Radialrichtung der Walzen
gemäß eines
Steuerprogramms zu steuern, das in einem Speicher gespeichert ist,
und zwar derart, dass die formgebenden Walzen einem oder mehreren
gewünschten
Bahnen in Bezug auf das Werkstück
folgen, um so das Werkstück
zu dem gewünschten
Produkt oder Zwischenprodukt umzuformen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
die auf verschiedenartige Weise abgewandelt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert
ist, abzuweichen.