成形工具和用于利用擴大裝置擴大開口的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于利用擴大裝置擴大開口的成形工具。此外，本發(fā)明涉及用于使用在根據本發(fā)明的成形工具中的擴大元件以及用于擴大開口的方法。
【背景技術】
[0002]在航空中尤其值得期望的是通過成形方法擴大在金屬構件中的受到高負載的裝配孔。這大多以冷加工的方式實現(xiàn)。由于材料在孔的區(qū)域中的塑性變形，產生有助于改善疲勞強度的內應力。在此，延伸區(qū)域的擴張與所施加的延伸率相關并且例如在原始直徑擴大約3%時幾乎相應于原始直徑的兩倍。
[0003]從現(xiàn)有技術中已知多種成形方法，其還被稱為擴張方法(Aufdornverfahren)。由現(xiàn)有技術已知的所有方法的目的都是改變直徑。
[0004]由此，由文獻US 2 672 175公開了一種成形工具，其用于擴大薄壁的管、例如機動車消聲器管。該工具包括錐形的方塊，四個單個元件通過傾斜的平面的原理靠著該方塊滑動并且在此引起直徑變化。在此不利的是，該工具僅僅適用于薄壁的構件并且僅僅不均勻地傳遞變形力。由此存在構件損壞的風險。此外，不可精確地控制擴大程度并且不可傳遞更大的力。
[0005]由文獻US 3 077 916得到一種成形工具，其用于擴大薄壁的管。該工具具有由可在徑向方向上移動的多個套管元件組成的套管。通過套管的內孔引導螺栓，其中，相應在端側布置有錐形的芯軸，其伸入到內孔中。通過轉動螺栓使兩個芯軸中的一個運動到另一芯軸上，其中，套管元件在徑向方向上運動。由此擴大薄壁的管。從文獻US 3 986 383中得到相似的工具。然而，兩種成形工具具有的缺點是，其僅僅適用于薄壁的構件并且不可傳遞更大的力。此外，僅僅不均勻地傳遞膨脹力，從而總是可一再導致構件損壞。此外，不可精確地控制擴大程度，從而當施加過大的力時，常常難以再次松開工具。
[0006]在文獻US 5 138 863中公開了一種用來擴大用于制造管連接部的薄壁的管的成形工具。該成形工具具有可在軸向方向上運動的芯軸，該芯軸可引入到具有多個套管元件的套管中，其中，套管元件的徑向移動與芯軸的引入深度相關。在此不利的是，成形工具不適合于擴大厚壁的結構。
[0007]在文獻EP I 611 976 Al中公開了一種用于消除內應力的方法以及裝置。
[0008]從文獻DE 26 54 102 C2中已知一種用于擴大管的成形工具。該成形工具具有芯軸和套管，該套管由可在徑向方向上運動的多個套管元件形成。芯軸支承成可在軸向方向上移動并且可引入到套管中，其中，根據芯軸的引入深度實現(xiàn)套管元件的相應的徑向移動。然而，該成形工具具有的缺點是，不可用于擴大厚壁結構(例如厚板)的孔。
[0009]從現(xiàn)有技術中已知的用于擴大管的所有工具都不適合傳遞例如50kN的高的變形力。這尤其在帶有大的壁厚的高強的金屬構件(其例如使用在航空和航天交通中)中是需要的，以便借助于在孔的環(huán)境中的塑性變形引入內應力。在此，例如涉及壁厚、板厚或堆疊厚度t，其為待擴大的孔直徑d的多倍，也就是說，t=0.5*d至5*d。與此相比，薄壁的管的壁厚僅僅相應于待擴大的直徑的一小部分，具體而言，例如t=0.05*d至0.3*d。
[0010]已知用于厚壁構件的傳統(tǒng)的成形方法，例如在文獻US 5 305 627中公開的分割套管法，或者例如在文獻US 4 423 619中公開的分割芯軸法。成形工具具有套管和芯軸，其中，芯軸局部地具有比孔直徑更大的直徑。在此，將芯軸拉動通過孔，并且孔的直徑通在構件厚度上連續(xù)地增大。然而，這兩種擴大方法具有的缺點是，所產生的內應力場不均勻，并且孔和/或工具的加工尺寸的很小偏差已經導致在擴大程度中的很嚴重的波動。例如，帶有6mm的直徑的孔(其名義上應擴大4%)結果可具有在2.5%與4.9%之間的實際的擴大程度。此外，這些方法同樣具有不均勻的應力和延伸率分布的缺點。此外，帶有嚴重與方向相關的性能的高性能材料(例如常常使用在航空中的鋁合金)可利用這種方法僅僅以非常小的程度來擴大，也就是說擴大明顯小于3%。由此幾乎不可實現(xiàn)疲勞強度的改善。此外，材料變形的方式和由此引起的在材料中的應力狀態(tài)(在該應力狀態(tài)下應形成期望的內應力)導致提早形成裂縫。此外，使用例如在分割套管法中實踐的套管使得該方法成本很高且不經濟。此外，一再出現(xiàn)由于工具的提前失效(尤其在分割芯軸法中在芯軸和構件之間的冷焊)引起的問題。
[0011]從文獻WO 2007/121932 Al中得到一種成形工具，利用該成形工具可在整個壁厚(即，板厚度或堆疊厚度)上連續(xù)地擴大孔。該成形工具與傳統(tǒng)的擴大方法相比由于其力引入保證有利的多軸的應力狀態(tài)。由此實現(xiàn)均勻的延伸區(qū)域和明顯改善的疲勞強度。該方法對于帶有突出的正交各向異性的材料(例如鋁合金)是尤其有利的，在這種材料中可無裂縫地擴大孔。在此，孔可被擴大了直至其原始直徑的5%。

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明的目的是，提供一種成形工具和一種成形方法，利用其提高在構件中的開口(例如裝配孔)的疲勞強度以及可更可靠地擴大在壁更厚的構件中的開口和/或避免形成裂縫。
[0013]該目的通過帶有所附的權利要求1的特征的成形工具以及根據并列權利要求所述的方法實現(xiàn)。
[0014]有利的設計方案為從屬權利要求的對象。此外，給出了用于工具或方法的有利的擴大元件。
[0015]根據一個方面，本發(fā)明提供了一種用于利用擴大裝置擴大開口的成形工具，該擴大裝置包括多個擴大元件，其中，擴大元件相應具有彎曲的型面，其在兩個周向側的端部棱邊之間伸延，其中，擴大元件可從第一位置轉移到第二位置中，其中，在相應于收縮的狀態(tài)的第一位置中，擴大元件通過分離面相互連接，并且其中，在相應于擴大的狀態(tài)的第二位置中，使擴大元件如此從擴大裝置的中心在徑向方向上移動，即，分離面彼此間隔開，其中，在第一位置中，周向側的端部棱邊比型面的中間區(qū)域更加遠離中心。
[0016]有利地，例如可有針對性地在開口的區(qū)域中產生內應力，然而在此未損壞構件。
[0017]利用根據一有利的設計方案的成形工具，可尤其在厚壁的金屬構件(例如高強度的鋁合金)中在裝配孔的環(huán)境中無缺陷地(即，在沒有裂縫的情況下)引入壓力內應力，從而顯著改善孔且和最終構件的疲勞強度。
[0018]與直到現(xiàn)在的成形工具相比，例如實現(xiàn)10%至15%的改進。在此，擴大的孔直徑例如為孔原始直徑的3%至5%。
[0019]此外，成形工具的有利的設計方案實現(xiàn)了均勻地將力引入到構件中，從而實現(xiàn)材料的明顯改善的流動性能。尤其在構件厚度上均勻地引入內應力，使得引入的內應力沒有在構件厚度上變化，而是均勻的。
[0020]優(yōu)選地，在根據本發(fā)明的設計方案的成形工具中，在開口的內壁處沒有出現(xiàn)摩擦。
[0021]優(yōu)選地，可控制擴大元件的徑向移動，從而可控制進行中的變形過程，從而實現(xiàn)均勻的延伸區(qū)域，其對于有效地提高疲勞強度是有利的。由此還可在開口的區(qū)域中無裂縫地擴大高性能材料。
[0022]優(yōu)選地，可使用用于擴大不同直徑的開口的成形工具。
[0023]優(yōu)選地，根據本發(fā)明的設計方案的成形工具簡化了已擴大的開口的檢查，因為如果還是出現(xiàn)裂縫，其從中心向兩側延伸，從而可從開口的兩側看出裂縫。
[0024]優(yōu)選地，成形工具適用于在冷加工期間對新材料在其性能方面進