成形工具和用于利用扩大装置扩大开口的方法.pdf

本发明涉及用于利用扩大装置(12)扩大开口(56)的成形工具(10)，扩大装置包括多个扩大元件(28)，其中，扩大元件(28)相应具有弯曲的型面(46)，其在两个周向侧的端部棱边(48)之间伸延，其中，扩大元件(28)可从第一位置转移到第二位置中，其中，在相应于收缩的状态的第一位置中，扩大元件(28)通过分离面(50)相互连接，并且其中，在相应于扩大的状态的第二位置中，使扩大元件(28)如此从扩大装置(12)的中心在径向方向(R)上移动，即，分离面(50)彼此间隔开。为了提供这样的成形工具，即，利用其提高开口(装配孔)的疲劳强度、可更可靠地扩大在厚壁的构件中的开口和/或避免形成裂缝，根据本发明提出，在第一位置中，周向侧的端部棱边(48)比型面(46)的中间区域(60)更加远离中心。此外，本发明涉及用于扩大开口(56)的扩大元件(28)以及方法。

1.  一种用于利用扩大装置(12)扩大开口(56)的成形工具(10)，所述扩大装置包括多个扩大元件(28)，其中，所述扩大元件(28)相应具有弯曲的型面(46)，其在两个周向侧的端部棱边(48)之间伸延，其中，所述扩大元件(28)可从第一位置转移到第二位置中，其中，在相应于收缩的状态的第一位置中，所述扩大元件(28)通过分离面(50)相互连接，并且其中，在相应于扩大的状态的第二位置中，使所述扩大元件(28)如此从所述扩大装置(12)的中心在径向方向(R)上移动，即，所述分离面(50)彼此间隔开，其特征在于，在第一位置中，所述周向侧的端部棱边(48)比所述型面(46)的中间区域(60)更加远离中心。

2.  根据权利要求1所述的成形工具(10)，其特征在于，在第二位置中，所述周向侧的端部棱边(48)和所述型面(46)与中心间隔得同样远。

3.  根据权利要求1或2所述的成形工具(10)，其特征在于，所述扩大元件(28)的型面(46)在截面中在径向方向(R)上观看是圆弧形的。

4.  根据权利要求3所述的成形工具(10)，其特征在于，在第一位置中，所述端部棱边(48)位于外接的圆上，并且所述型面(46)的中间区域与所述圆间隔开，而在第二位置中，不仅所述端部棱边(48)而且所述型面(46)都位于外接的圆上。

5.  根据权利要求3或4中任一项所述的成形工具(10)，其特征在于，所述型面(46)的半径大于在第一位置中所述端部棱边(48)与所述扩大装置(12)的中心的距离，大的范围优选在2.5%至10%之间，并且尤其大约大5%。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的成形工具(10)，其特征在于驱动元件(14)，所述扩大装置(12)可借助于所述驱动元件从第一位置转移到第二位置中。

7.  根据权利要求6所述的成形工具(10)，其特征在于，所述驱动元件(14)具有芯轴(18)，其可引入到所述扩大装置(12)的内孔(16)中。

8.  根据权利要求7所述的成形工具(10)，其特征在于，至少所述内孔(16)的内面和/或所述芯轴(18)的至少一个外面(44)设有涂层。

9.  根据权利要求8所述的成形工具(10)，其特征在于，所述涂层由优选电化学施加的镍层和/或类似金刚石的碳层或者满足所述功能的其他的层以尤其几纳米至几微米的厚度形成。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的成形工具(10)，其特征在于，在所述芯轴的(18)的中轴线M和外面(44)之间的角度(α)在0.3度与3度之间。

11.  一种用于使用在根据权利要求1至10中任一项所述的成形工具(10)中的扩大元件(28)。

12.  根据权利要求11所述的扩大元件(28)，其特征在于近似梯形的截面形状，其中，在两个侧边之间伸延的至少一个侧部弯曲。

13.  一种用于将开口(56)从第一直径d₁扩大到第二直径d₂的方法，其特征在于以下步骤：
a) 提供多个扩大元件(28)，其相应具有在两个端部棱边(48)之间伸延的型面(46)和两个分离面(50)，其中，通过使所述扩大元件(28)在径向方向(R)上移动，所述扩大元件(28)可从相应于在未扩大的状态中的直径d₁的第一位置转移到相应于在期望的扩大的状态中的直径d₂的第二位置中，其中，如此设计所述分离面(50)和型面(46)，即，在第一位置中，所述型面(46)的中间区域(60)在贴靠在未扩大的开口(56)处时比所述端部棱边(48)更加远离所述开口(56)的内壁(58)，而在第二位置中，所述型面(46)整体相应于期望的扩大的所述开口(56)的内壁(58)的轮廓；
b) 将所述扩大元件(28)组合成扩大装置(12)并且使所述扩大元件(28)转移到其第一位置中；
c) 将所述扩大装置(12)引入到所述开口(56)中，以及
d) 通过使所述扩大元件(28)转移到第二位置中连续地扩大所述开口(56)。

14.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，从一侧扩大所述开口(56)，从而在相邻的两个工件(54)的情况下仅仅扩大两个开口(56)中的一个。

15.  根据权利要求13或14中任一项所述的方法，其特征在于，在带有板厚或堆叠厚度t的工件(54)中扩大带有直径d的开口(56)，其中，t＞d、尤其t＞2*d。

成形工具和用于利用扩大装置扩大开口的方法
技术领域
本发明涉及用于利用扩大装置扩大开口的成形工具。此外，本发明涉及用于使用在根据本发明的成形工具中的扩大元件以及用于扩大开口的方法。
背景技术
在航空中尤其值得期望的是通过成形方法扩大在金属构件中的受到高负载的装配孔。这大多以冷加工的方式实现。由于材料在孔的区域中的塑性变形，产生有助于改善疲劳强度的内应力。在此，延伸区域的扩张与所施加的延伸率相关并且例如在原始直径扩大约3%时几乎相应于原始直径的两倍。
从现有技术中已知多种成形方法，其还被称为扩张方法(Aufdornverfahren)。由现有技术已知的所有方法的目的都是改变直径。
由此，由文献US 2 672 175公开了一种成形工具，其用于扩大薄壁的管、例如机动车消声器管。该工具包括锥形的方块，四个单个元件通过倾斜的平面的原理靠着该方块滑动并且在此引起直径变化。在此不利的是，该工具仅仅适用于薄壁的构件并且仅仅不均匀地传递变形力。由此存在构件损坏的风险。此外，不可精确地控制扩大程度并且不可传递更大的力。
由文献US 3 077 916得到一种成形工具，其用于扩大薄壁的管。该工具具有由可在径向方向上移动的多个套管元件组成的套管。通过套管的内孔引导螺栓，其中，相应在端侧布置有锥形的芯轴，其伸入到内孔中。通过转动螺栓使两个芯轴中的一个运动到另一芯轴上，其中，套管元件在径向方向上运动。由此扩大薄壁的管。从文献US 3 986 383中得到相似的工具。然而，两种成形工具具有的缺点是，其仅仅适用于薄壁的构件并且不可传递更大的力。此外，仅仅不均匀地传递膨胀力，从而总是可一再导致构件损坏。此外，不可精确地控制扩大程度，从而当施加过大的力时，常常难以再次松开工具。
在文献US 5 138 863中公开了一种用来扩大用于制造管连接部的薄壁的管的成形工具。该成形工具具有可在轴向方向上运动的芯轴，该芯轴可引入到具有多个套管元件的套管中，其中，套管元件的径向移动与芯轴的引入深度相关。在此不利的是，成形工具不适合于扩大厚壁的结构。
在文献EP 1 611 976 A1中公开了一种用于消除内应力的方法以及装置。
从文献DE 26 54 102 C2中已知一种用于扩大管的成形工具。该成形工具具有芯轴和套管，该套管由可在径向方向上运动的多个套管元件形成。芯轴支承成可在轴向方向上移动并且可引入到套管中，其中，根据芯轴的引入深度实现套管元件的相应的径向移动。然而，该成形工具具有的缺点是，不可用于扩大厚壁结构(例如厚板)的孔。
从现有技术中已知的用于扩大管的所有工具都不适合传递例如50kN的高的变形力。这尤其在带有大的壁厚的高强的金属构件(其例如使用在航空和航天交通中)中是需要的，以便借助于在孔的环境中的塑性变形引入内应力。在此，例如涉及壁厚、板厚或堆叠厚度t，其为待扩大的孔直径d的多倍，也就是说，t=0.5*d至5*d。与此相比，薄壁的管的壁厚仅仅相应于待扩大的直径的一小部分，具体而言，例如t=0.05*d至0.3*d。
已知用于厚壁构件的传统的成形方法，例如在文献US 5 305 627中公开的分割套管法，或者例如在文献US 4 423 619中公开的分割芯轴法。成形工具具有套管和芯轴，其中，芯轴局部地具有比孔直径更大的直径。在此，将芯轴拉动通过孔，并且孔的直径通在构件厚度上连续地增大。然而，这两种扩大方法具有的缺点是，所产生的内应力场不均匀，并且孔和/或工具的加工尺寸的很小偏差已经导致在扩大程度中的很严重的波动。例如，带有6mm的直径的孔(其名义上应扩大4%)结果可具有在2.5%与4.9%之间的实际的扩大程度。此外，这些方法同样具有不均匀的应力和延伸率分布的缺点。此外，带有严重与方向相关的性能的高性能材料(例如常常使用在航空中的铝合金)可利用这种方法仅仅以非常小的程度来扩大，也就是说扩大明显小于3%。由此几乎不可实现疲劳强度的改善。此外，材料变形的方式和由此引起的在材料中的应力状态(在该应力状态下应形成期望的内应力)导致提早形成裂缝。此外，使用例如在分割套管法中实践的套管使得该方法成本很高且不经济。此外，一再出现由于工具的提前失效(尤其在分割芯轴法中在芯轴和构件之间的冷焊)引起的问题。
从文献WO 2007/121932 A1中得到一种成形工具，利用该成形工具可在整个壁厚(即，板厚度或堆叠厚度)上连续地扩大孔。该成形工具与传统的扩大方法相比由于其力引入保证有利的多轴的应力状态。由此实现均匀的延伸区域和明显改善的疲劳强度。该方法对于带有突出的正交各向异性的材料(例如铝合金)是尤其有利的，在这种材料中可无裂缝地扩大孔。在此，孔可被扩大了直至其原始直径的5%。
发明内容
本发明的目的是，提供一种成形工具和一种成形方法，利用其提高在构件中的开口(例如装配孔)的疲劳强度以及可更可靠地扩大在壁更厚的构件中的开口和/或避免形成裂缝。
该目的通过带有所附的权利要求1的特征的成形工具以及根据并列权利要求所述的方法实现。
有利的设计方案为从属权利要求的对象。此外，给出了用于工具或方法的有利的扩大元件。
根据一个方面，本发明提供了一种用于利用扩大装置扩大开口的成形工具，该扩大装置包括多个扩大元件，其中，扩大元件相应具有弯曲的型面，其在两个周向侧的端部棱边之间伸延，其中，扩大元件可从第一位置转移到第二位置中，其中，在相应于收缩的状态的第一位置中，扩大元件通过分离面相互连接，并且其中，在相应于扩大的状态的第二位置中，使扩大元件如此从扩大装置的中心在径向方向上移动，即，分离面彼此间隔开，其中，在第一位置中，周向侧的端部棱边比型面的中间区域更加远离中心。
有利地，例如可有针对性地在开口的区域中产生内应力，然而在此未损坏构件。
利用根据一有利的设计方案的成形工具，可尤其在厚壁的金属构件(例如高强度的铝合金)中在装配孔的环境中无缺陷地(即，在没有裂缝的情况下)引入压力内应力，从而显著改善孔且和最终构件的疲劳强度。
与直到现在的成形工具相比，例如实现10%至15%的改进。在此，扩大的孔直径例如为孔原始直径的3%至5%。
此外，成形工具的有利的设计方案实现了均匀地将力引入到构件中，从而实现材料的明显改善的流动性能。尤其在构件厚度上均匀地引入内应力，使得引入的内应力没有在构件厚度上变化，而是均匀的。
优选地，在根据本发明的设计方案的成形工具中，在开口的内壁处没有出现摩擦。
优选地，可控制扩大元件的径向移动，从而可控制进行中的变形过程，从而实现均匀的延伸区域，其对于有效地提高疲劳强度是有利的。由此还可在开口的区域中无裂缝地扩大高性能材料。
优选地，可使用用于扩大不同直径的开口的成形工具。
优选地，根据本发明的设计方案的成形工具简化了已扩大的开口的检查，因为如果还是出现裂缝，其从中心向两侧延伸，从而可从开口的两侧看出裂缝。
优选地，成形工具适用于在冷加工期间对新材料在其性能方面进行测试。由此可减少这种测试的数量并且节省与此相关的测试成本。
有利地，根据本发明的设计方案的成形工具补偿由于其磨损引起的尺寸变化，从而其可使用更长时间。
优选地，在成形工具的一有利的设计方案中，在扩大开口期间未出现作用到工件表面上的法向力，从而不产生损坏工件的弯曲力矩。
有利地，在根据本发明的成形工具中，在扩大期间没有进行套管与工件的冷焊。由此不可通过冷焊损坏构件。此外，可再次使用套管。
优选地，在根据本发明的一设计方案的成形工具中，在已扩大的开口的边缘区域中仅仅出现可忽略的隆起。由此降低加工成本，因为省去了用于去除隆起的另一成本密集的步骤，并且可将扩大工艺有利地集成到加工工艺中。
优选地，在成形工具的一有利的设计方案中，可重复使用套管，从而降低加工成本。由此，不再需要每次使用新的套管来扩大开口。
有利地，在根据一有利的设计方案的成形工具中，省去了复杂且成本密集地移除套管。
有利地，在根据本发明的一设计方案的成形工具中，省去了使用昂贵的紧固套来扩大开口。
此外，优选地，根据本发明的成形工具可用于扩大在修理件中的开口，其中，根据开口直径和开口的期望的扩大，可有利地事先借助于FEM模拟确定修理件的变形性能以及在开口的区域中的内应力分布和由此得到的疲劳强度。
为了有利于将力均匀地引入到构件中并且由此实现更好的流动性能，进一步优选地设置成，在第二位置中，周向侧的端部棱边和型面与中心间隔得同样远。
此外，优选地，扩大元件的型面在截面中在径向方向上来看是圆弧形的。
优选地，在第一位置中，端部棱边位于外接的(umbeschrieben)圆上，并且型面的中间区域与圆间隔开，并且在第二位置中，不仅端部棱边而且型面都位于外接的圆上。
扩大元件例如可是相同的，其中，在相应于收缩的状态的第一位置中，通过扩大装置的截面的外轮廓在径向方向上观察可近似相应于四叶状的苜蓿叶。
例如，在扩大元件的端部棱边的区域中的直径可与待扩大的孔的原始直径相似。
在相应于扩大的状态的第二位置中，扩大元件的柱状的外半径可相应于在扩大的状态中的开口的半径，即，扩大的开口的最终直径。
由此可有利地在装配孔的环境中实现最优的内应力分布。
在另一有利的设计方案中，型面的半径大于在第一位置中端部棱边与扩大装置的中心的距离，其中，型面的半径更大的范围优选在2.5%至10%之间，且尤其大约大5%。
由此，在扩大过程期间生成明显更均匀的内应力区，其再次有利地影响疲劳强度。
此外，优选地设置有驱动元件，扩大装置可借助于该驱动元件从第一位置中转移到第二位置中。
优选地，驱动元件具有芯轴，其可引入到扩大装置的内孔中。
例如，芯轴构造为锥形的四棱芯轴并且由高强度的金属或陶瓷材料制成，该材料具有很高的抗压强度和抗弯强度以及硬度。
例如可为芯轴使用带有大于4000MPa的强度和大于60HRC的硬度的硬金属。
优选地，套管的内孔具有与芯轴的几何结构相似地实施的几何结构。
此外，芯轴可构造成锥形，其中，扩大元件的内孔或内侧可与芯轴相似地同样实施成锥形。
套管可由具有高的延展性的高强度的金属材料制成，其中，套管可由带有大于2000MPa的抗拉强度的镍钴基合金制成。
优选地，内孔的内面和/或芯轴的外面设有涂层。该涂层减小摩擦系数，从而存在改善的滑动。此外，该涂层保护防止磨蚀和磨损并且在潮湿的环境中也防止腐蚀。可通过嵌入的石墨颗粒提供涂层的润滑性能。内孔的内面和芯轴的外面可被称为芯轴和扩大元件的功能面。在此可为功能面涂覆例如极硬的层以用于改善滑动性能、防止腐蚀和提前的磨损。
优选地，涂层可由电化学施加的镍层和/或类似金刚石的碳层尤其以几纳米至几微米厚度的厚度形成。
电化学地施加的镍层可为10μm，或者类似金刚石的碳层可具有直至6000kg/mm²的硬度。
在另一有利的设计方案中，在芯轴的中轴线和外面之间的角度在0.3度与3度之间。通过在芯轴的中轴线和外面或功能面之间的角度得到其锥度。借助于该角度将轴向力转向成用于扩大所需的径向力。在此，该角度决定性地控制轴向力相对于径向力的比、在工具处的摩擦损失和可能的磨损。
例如，对于在2000合金中带有6mm的直径的孔的0.3度的角度，在工件厚度t相对于孔直径d的比为t/d=5时，力为20kN。与此相比，在3度的角度和在其他情况下相同的比t/d=5的情况下，径向力为38kN。
根据另一方面，优选地提供了用于使用在这种类型的成形工具中的扩大元件。
优选地，扩大元件具有近似梯形的截面形状，其中，在两个侧边之间伸延的至少一个侧部弯曲。进一步优选地，弯曲地伸延的侧部具有这样的半径，其相应于在扩大的状态中的开口的半径。
根据另一方面，本发明提供了一种用于将开口从第一直径d1扩大到第二直径d2的方法，其包括以下步骤：
a) 提供多个扩大元件，其相应具有在两个端部棱边之间伸延的型面和两个分离面，其中，通过使扩大元件在径向方向上移动，扩大元件可在相应于在未扩大的状态中的直径d1的第一位置中转移到相应于在期望的扩大的状态中的直径d2的第二位置中，其中，如此设计分离面和型面，即，在第一位置中，型面的中间区域在贴靠在未扩大的开口处时比端部棱边更加远离开口的内壁，而在第二位置中型面整体相应于期望的扩大的开口的内壁的轮廓；
b) 将扩大元件组合成扩大装置，并且使扩大元件转移到其第一位置中；
c) 将扩大装置引入到开口中，以及
d) 通过使扩大元件转移到第二位置中连续地扩大开口。
在连续地扩大开口时，实现均匀地将力引入到构件中，从而实现了材料的显著改善的流动性能。有利地，实现了均匀的延伸区域，从而可在没有形成裂缝的情况下扩大厚壁的金属构件，其例如包含高强度的铝合金。由此提高开口的疲劳强度。
优选地，该方法可用于从一侧扩大开口，从而在相邻的两个工件的情况下仅仅扩大两个开口中的一个。由此，扩大装置还可用于扩大金属和非金属连接部的开口，例如与纤维复合材料的混合连接部，在其中，应仅仅扩大金属组件。在此，可在不接触和/或损坏非金属件的情况下扩大金属部分。由此实现作为一步装配已知的方法步骤，因为在钻孔之后不必再次分离部件以扩张金属组件，而是可将其保留在已经固定的位置中。由此实现时间节省。
此外，优选地，该方法用于在带有板厚或堆叠厚度t的工件中撑开带有直径d的开口，其中，t＞d，尤其t＞2*d。
附图说明
下面借助附图进一步阐述本发明。其中：
图1显示了成形工具的一实施例的透视图；
图2显示了芯轴的透视图；
图3显示了扩大元件的透视图；
图4显示了插入到工件的待扩大的开口中的成形工具的透视图；
图5显示了在变形过程期间穿过成形工具和工件的纵截面；
图6显示了在扩大开口之前穿过插入到开口中的成形工具的径向截面的断面；
图7显示了在扩大开口之前成形工具相对于开口的几何机构的比的示意图；
图8显示了在利用传统的成形工具扩大开口之后在工件中的内应力分布的示意图；
图9显示了在利用根据本发明的实施方式的成形工具扩大开口之后在工件中的内应力分布的示意图；
图10显示了在变形过程期间穿过根据本发明的成形工具和混合连接部的纵截面；以及
图11显示了曲线图，其示出了在不同的负载状态的情况下的工件的使用寿命，其中，未扩大开口或者以不同的扩大方法扩大了开口。
具体实施方式
在图1中示出了成形工具10的一实施例。该成形工具10具有扩大装置12和驱动元件14，驱动元件14可引入到扩大装置12的内孔16中。
如在图1和2中显示的那样，驱动元件14构造为芯轴18，其包括第一区段20和第二区段22。第一区段20具有在径向方向R上观察多边形的截面。第一区段20在轴向方向A上朝芯轴18的第一端部24构造成锥形。
芯轴18在该实施例中构造为四棱芯轴，其中，还可设想其他的多边形的设计方案。芯轴18的外面构造为功能面26，其中，在中轴线M和功能面26之间的角度α得到芯轴18的锥度。
理想地，角度α在0.3度与3度之间。通过角度α使轴向力F_a转向成为了扩大所需的径向力F_r。由此，角度α决定性地控制轴向力相对于径向力的比。
芯轴18由带有很高的抗压强度和抗弯强度以及硬度的高强度的金属或陶瓷材料制成，例如，带有大于4000MPa的强度和大于60HRC的硬度的硬金属。
芯轴18的功能面26可涂覆有极硬的层以用于改善滑动性能、防止腐蚀和提前磨损，例如涂覆有几微米厚度的电化学施加的镍层或者带有例如直至6000kg/mm²的极高硬度的类似金刚石的碳层。
第二区段22构造为保持区段，芯轴18可借助于该保持区段如此容纳在工具或容纳装置中，即，芯轴18可在轴向方向上运动并且可引入到扩大装置12的内孔16中。
根据图1和3，扩大装置12包括多个(例如四个)扩大元件28，其在组装的状态中形成套管30。
扩大元件28具有第一区段32和第二区段34。第一区段32具有比第二区段32更大的直径并且构造为凸缘36，其中，该凸缘具有用于支承在工件54处的支承面38。附加地，在第二区段34处设置有呈凹处的形式的容纳装置40，其在周向方向上围绕第一区段32的外面44伸延。
第二区段34具有弯曲的型面46，其在截面中在径向方向上观察构造成圆弧形。该型面限制在周向侧的两个端部棱边48之间。用作用于另一扩大元件28的贴靠面的分离面相应联接到端部棱边48处。
此外，扩大元件在与型面46相对而置的侧部上具有功能面52，其与芯轴18的功能面26相似地同样实施成锥形。
如在图1中看出的那样，在扩大装置12的组装的状态中，扩大元件28相应借助于其分离面50贴靠在另一扩大元件28的另一分离面50处，从而扩大装置12近似形成套管30。
为了在组装的状态中固定扩大元件28，可将例如呈橡胶环的形式的(未示出的)弹性器件引入到凹处42中。
如尤其可在图6中可见的那样，在原始位置中仅仅端部棱边48贴靠在内壁58处，其中，型面46的中间区域60与开口56的内壁58间隔开。为了实现这种情况，在该实施例中如此构造分离面50，即，在扩大装置12的原始位置中，仅仅端部棱边48贴靠在开口56的内壁58处，而型面46的中间区域60与内壁58间隔开。由此，扩大装置12的最大直径在原始位置中相应于在未扩大的状态中的开口56的直径。
借助在图7中示出的用于设计型面46的半径r_F的示例进一步阐述以上描述的实施方案。对于开口56，其在未扩大的状态中具有6mm的直径d₁且应将其直径d₂扩大成6.3mm，型面46的半径r_F为3.15mm的长度。
扩大装置12的内孔16具有多边形的(方形的)截面，其在未扩大的状态中带有3.25mm边长的内面积并且在扩大的状态中带有4.12mm边长的内面积。
以下借助图4和5进一步阐述用于扩大引入在工件54中的开口56的一可行的方法。如以上已经描述的那样，扩大元件28组合成扩大装置12并且借助于弹性器件固定。紧接着将扩大装置12插入到开口56中。
如在图4和5中示出的那样，为了扩大开口56，将芯轴18(尤其芯轴18的第一区段20)引入到扩大装置12的内孔16中。由于相应的功能面26、52构造成彼此互补，在将芯轴18引入到内孔16中时发生扩大元件28在径向方向R上的运动，其中，扩大元件28在径向方向R上的移动与芯轴18的引入深度相关。通过在功能面26和芯轴18的中轴线M之间的角度α将轴向力F_a转向成为了扩大所需的径向力F_r。由此，角度α决定性地控制轴向力相对于径向力的比、在工具处的摩擦损失和可能的磨损。
如在图5中可见的那样，通过轴向移动芯轴18产生扩大元件28的径向移动，其中，施加扩大工件54的开口56的径向力F_r。由此，在开口56的邻近的环境中的材料塑性变形。这引起在工件中形成内应力，该内应力可以直至开口直径的两倍的距离出现在材料中。由此改善开口56的疲劳强度。
根据本发明的扩大装置12由于其优化的几何结构有利于均匀地将力引入构件中并且由此实现材料的显著改善的流动性能。如在图8和9中可见的那样，这引起在扩大过程之后明显更均匀的内应力分布，其又有利地影响疲劳强度。
在图8中示出了在利用从现有技术中已知的扩大装置进行扩大工艺之后的内应力分布。在该扩大装置中，型面具有相应于在未扩大的状态中的开口的半径。由此，如在图8中可见的那样，得到不均匀的内应力分布，其中，在型面的中间区域中出现最大的应力。在端部棱边的区域中，引入到工件中的内应力几乎不能明显地侵入到工件中。与此相比，在根据本发明的实施例的扩大装置12中实现更均匀的内应力分布。如在图9中显示的那样，实现内应力的均匀分布，更具体地说，在工件54中实现引入到工件中的内应力的同样远的距离。
如在图10中可见的那样，扩大装置12具有单侧地接近开口56的优点，从而成形工具10还可用于金属－非金属连接部，例如与纤维复合材料的混合连接部，在其中，应仅仅扩大金属组件。在此，可仅仅扩大金属工件，而未接触或损坏非金属件。
由此实现作为一步装配的已知的方法步骤，因为在钻孔之后不必再次分离部件以扩大金属组件的开口56，而是可将其保留在已经固定的位置中。由此实现时间和成本节省。
在图11中针对不同地引入的应力示出了工件的使用寿命。第一曲线K1和第二曲线K2显示了用于由铝合金制成的工件的使用寿命曲线，其中，开口还未被扩大。
第三曲线K3示出了相同材料的使用寿命，其中，已经借助于传统的扩大方法扩大了开口。在此，开口被扩大了3%。如可见的那样，由于引入的压力内应力提高了疲劳强度并且与此伴随地提高了使用寿命。例如，对于未被扩大的工件在应力引入到工件中时的负荷交变数为100000，而在其开口已经借助于传统的方法扩大的工件中负荷交变数为1000000。因此明显地提高了材料强度。
通过使用根据本实施例的扩大装置12可再次提高使用寿命。根据本实施例的扩大装置12能够实现更大地扩大开口，从而可将更高的压力内应力引入到工件中。在该实施例中，开口已经被扩大了4%。如在第四曲线K4中可见的那样，与借助于传统的扩大方法处理的工件相比再次提高了工件的使用寿命。由此，在在其他方面相同的材料性能和尺寸的情况下，本发明的成形工具10实现再次提高材料强度。
参考标号列表
10 成形工具
12 扩大装置
14 驱动元件
16 内孔
18 芯轴
20 第一区段
22 第二区段
24 第一端部
26 功能面
28 扩大元件
30 套管
32 第一区段
34 第二区段
36 凸缘
38 支承面
40 容纳装置
42 凹处
44 外面
46 型面
48 端部棱边
50 分离面
52 功能面
54 工件
56 开口
58 内壁
60 中间区域
R 径向方向
A 轴向方向
M 中轴线
α 角度
F_a轴向力
F_r 径向力
r_F功能面的半径
d₁ 在未扩大的状态中的开口的直径
d₂ 在扩大的状态中的开口的直径
K1 第一曲线
K2 第二曲线
K3 第三曲线
K4 第四曲线。