DE19946010A1 - Verfahren zum Umformen eines Ausgangsprofils od. dgl. Werkstückes mittels eines Innenhochdruckes sowie Profil dafür - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Umformen eines einen Profilraum aufweisenden Ausgangsprofils o. dgl. Werkstückes mittels eines in dem abgedichteten Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdruckes zu einem Endprofil werden zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich - bevorzugt mindestens zwei Eckbereiche - aufweisenden Ausgangsprofils an den Eckbereich anschließende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschließend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben des Eckbereiches in Druckrichtung rückgeformt. Dazu wird ein Profil mit den Profilwänden begrenztem Profilraum eingesetzt, bei dem jeweils zwei Profilwände einen Eckbereich des Profilquerschnitts bestimmen, wobei zumindest eine der an den Eckbereich anschließenden Profilwände mit einem querschnittlich gekrümmten Bereich versehen ist. Bevorzugt wird ein polygoner Querschnitt, dessen Profilwände zwischen den Eckbereichen jeweils den einwärts gekrümmten Bereich aufweisen oder bei dem jeweils zwei Eckbereiche verbindende ausgewählte Profilwände einen gekrümmten Bereich anbieten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Ausgangsprofils od. dgl. Werkstückes mittels eines in dem abgedichteten Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdruckes zu einem Endprofil, insbesondere zum Umformen bis zur Anlage des Endprofils an die Wandung eines Formraumes. Zudem erfasst die Erfindung ein Profil mit von Profilwänden begrenztem Profilraum, bei dem jeweils zwei Profilwände einen Eckbereich des Profilquerschnitts bestimmen, insbesondere ein Ausgangsprofil zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim sog. Innenhochdruck-Umformen (IHU-Verfahren) wird ein Hohlprofil durch Innendruck ausgedehnt. Zusätzlich kann das Hohlprofil mittels wenigstens eines am Werkstück angreifen­ den Stempels nachgeschoben sowie aufgeweitet, gestaucht bzw. expandiert werden.

Die DE 35 32 499 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum hydrau­ lischen Aufweiten eines Rohrabschnitts unter Einsatz einer in das Rohr einführbaren zapfenartigen zylindrischen Sonde, die mittels mindestens zweier im Abstand voneinander be­ findlicher Dichtringe mit dem aufzuweitenden Rohrabschnitt einen Ringraum bildet, der zum Aufweiten mit Druckmittel gefüllt wird; die beiden Dichtringe sind jeweils in einer ringförmigen Aufnahmenut U-förmigen Querschnitts in der Sonde angeordnet und haben im Ausgangzustand beim Einführen der Sonde in das Rohr einen höchstens dem Außendurchmesser der Sonde entsprechenden Außendurchmesser. Vor Beginn des Aufweitungsvorganges werden sie zur Abdichtung des Ring­ spaltes zwischen Sonde und Rohr radial mit Druckmittel be­ aufschlagt, das den Aufnahmenuten durch eine an die Druck­ mittelzuführung angeschlossene Verbindungsleitung zugeführt wird. Die Druckmittelzufuhr zum Ringraum geschieht aus­ schließlich über zumindest eine der Aufnahmenuten und wird durch einen als Ventilkörper dienenden Dichtring gesteuert, der eine zwischen Aufnahmenut und Ringraum befindliche Öff­ nung so lange verschließt, bis er durch elastisches Aufwei­ ten seine Dichtwirkung erreicht hat. Jene Aufnahmenut ist in ihrem dem Ringraum benachbarten Rand mit wenigstens ei­ nem schrägen Einschnitt versehen. Wird nun der Druck im Ringraum zwischen den beiden Dichtungen erhöht, beginnt sich die Rohrwand in diesem Bereich zu weiten.

Dieses Innenhochdruck-Umformen oder Hydroformen findet mehr und mehr Eingang als wirtschaftliches Herstellungsverfahren für Karosseriebauteile im Automobilbau. Als Ausgangsmate­ rial werden dabei vorwiegend Stahlrohre eingesetzt. Die Endkontur der zu formenden Bauteile ist im allgemeinen um ein Vielfaches komplexer als der einfache Kreisquerschnitt des Ausgangsmaterials. Somit ergeben sich bei diesem Ver­ fahren in der Regel Bauteilbereiche, die im IHU-Prozess sehr viel stärker umgeformt werden als andere Bereiche, und letztere werden dementsprechend dünner. Sind diese Bereiche unter Betriebsbedingungen hoch belastet, muss die Dicke des Ausgangsblechs ausreichend hoch bemessen worden sein, was aber in den weniger stark umgeformten Bereichen zu unnötig großen Materialansammlungen führt. Dieser Nachteil wider­ spricht der Forderung nach einem möglichst geringen Bau­ teilgewicht.

In letzter Zeit haben sich für IHU-Prozesse als Ausgangsma­ terial zum Stahl auch Aluminiumwerkstoffe hinzugesellt. Analog zu Stahl gibt es dabei Herstellungsverfahren, in de­ nen als Ausgangsmaterial Rohre aus Aluminiumblech verwendet werden; alternativ können aber auch Aluminium-Strang­ pressprofile eingesetzt werden. Diese kommen bei Stahl aus wirtschaftlichen Gründen nicht infrage. Die Verwendung von Strangpressprofilen hat den entscheidenden Vorteil, dass der Gestaltung des Ausgangsprofils nahezu keine Grenzen ge­ setzt sind.

IHU-Prozesse mit Strangpressprofilen werden in der Produk­ tion vor allem eingesetzt, um hochpräzise Bauteile herstel­ len zu können. Dazu wird nach dem derzeitigen Stand der Technik die Gestalt des Ausgangsprofils möglichst an die gewünschte Endkontur angelehnt, damit im IHU-Prozess ver­ hältnismäßig geringe Umformgrade auftreten. Diese Verfah­ rensweise ist insbesondere bei vorzubiegenden gekrümmten Bauteilen sowie bei Profilquerschnitten mit scharfen Eck­ kanten zumeist nicht zielführend. Nicht zuletzt auch aus dem Bestreben, die Umformgrade auf geringem Niveau zu hal­ ten, ergibt sich im allgemeinen deren ungleichmäßige Ver­ teilung. Dadurch - sowie auch durch die Vorverformung aus dem Biegeprozess - kommt es zu Rückfederungseffekten, die dazu führen, dass die gewünschte Präzision mit dem be­ schriebenen Verfahren nur in Ausnahmefällen erreicht zu werden vermag. Ebenso können scharfe Eckkanten, welche ein großes Verhältnis der Profilwanddicke zum Außenradius auf­ weisen, mit diesem Verfahren in der Regel nicht ausgeformt werden.

Bei IHU-Prozessen mit Stahlrohren ist es üblich, vor den eigentlichen Umformprozessen (Biegen und IHU) eine Vorde­ formation des Ausgangsmaterials durchzuführen, um bei­ spielsweise eine günstigere Querschnittsgestaltung für das Biegen zu erreichen oder um überhaupt das Einlegen des Werkstücks in das IHU-Werkzeug erst zu ermöglichen.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder eine gezielte Querschnittsgestaltung des eingesetzten Strang­ pressprofils in Bezug auf eine günstige Verteilung der Um­ formung beim IHU-Prozess als Ziel gesetzt; die elastische Rückfederung des Werkstücks soll nach der Entnahme aus dem IHU-Werkzeug minimiert und eine Maßhaltigkeit in der ge­ wünschten Präzision erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildun­ gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kom­ binationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß werden zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich aufweisenden Ausgangsprofils an den Eckbereich anschließende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung gekrümmt vorgeformt und nachfolgend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums in Druckrichtung rückgeformt, wobei der Eckbereich verschoben wird; sind zu­ mindest zwei Eckbereiche vorhanden, werden die zwischen den Eckbereichen verlaufenden Wandabschnitte entsprechend gegen die Druckrichtung vorgeformt sowie - ebenfalls durch den von jenem Wirkmedium erzeugten Innenhochdruck unter Verschieben der Eckbereiche in Druckrichtung - rückge­ formt.

In der Praxis wird es überwiegend um Ausformungen nahezu rechter Winkel gehen, wobei die Profilquerschnitte keine Rechteckkonturen sein müssen. Jedoch können auch andere Winkelgrößen ausgeformt werden, insbesondere spitz zulau­ fende Ecken mit Eckwinkeln unter 45°.

Als günstig hat es sich erwiesen, das Verschieben des Eck­ bereiches in Richtung von dessen Eckmittellinie bzw. seiner Symmetrielinie durchzuführen. Diese Eckbereiche am Aus­ gangsprofil sollen zudem verdickt ausgeformt werden.

Der lokale Umformgrad kann am Ausgangsprofil als Übermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils durch eine - sickenähnliche - einwärts gerichtete Krümmung des Profil­ querschnitts hergestellt werden. Auch ist es möglich, den lokalen Umformgrad am Ausgangsprofil als Untermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils einzuführen.

Vorteilhafterweise werden also die Anforderungen für prä­ zise Leichtbauweise erfüllt, d. h. das Ausgangsprofil ist derart gestaltet, dass das Werkstück am Ende des IHU-Pro­ zesses Materialanhäufungen vorwiegend an denjenigen Stellen aufweist, wo diese aus Gründen der Festigkeit benötigt werden. Um die genannten Ziele zu erreichen werden

• - der Profilwandung die lokalen Umformgrade durch querschnittliche Krümmungen und durch Profilabschnitte mit lokalem Untermaß sowie in diesem Zusammenhang die Eigenspannung in Längsrichtung gesteuert;
• - Profilecken überspitzt;
• - diejenigen Profilabschnitte verdickt, die geringe bis keine Umformung erfahren sol­ len,
• - Profilquerschnitte vorgefaltet.

Das Steuern des lokalen Umformgrads durch - sickenartige - einwärts gerichtete Querschnittskrümmungen und Profilab­ schnitte mit lokalem Untermaß erfolgt unter Ausnutzung des nachstehenden Wirkprinzips.

Die einwärts gerichtete Querschnittskrümmung ist hier von Bedeutung; insbesondere im Hinblick auf Querschnitte, deren Profilwände in der Endkontur gekrümmt ausgeführt sind, sei betont, dass es auf die relative Krümmung - und nicht auf die absolute Krümmung - ankommt. Denn durch diese ist letztendlich bestimmt, ob die Kontur des Ausgangsprofils gegenüber der Endkontur im entsprechenden Abschnitt ein Übermaß oder ein Untermaß aufweist, durch welches das Ver­ halten im beschriebenen Umform-Prozess gesteuert wird.

Durch Sicken oder andere querschnittliche Krümmungen kann ein lokales Übermaß erreicht werden; im Gegensatz zu einem an der Profilaußenseite gewölbten Übermaß werden das Einle­ gen des Werkstücks in das Werkzeug sowie das Schließen des Werkzeugs durch eine Sicke nicht behindert; durch jenes Übermaß kommt es im IHU-Prozess zu einer lokalen Aufstau­ chung des Materials in Umfangsrichtung des Profils. Durch die plastische Volumenkonstanz von Aluminiumwerkstoff wer­ den dadurch Druckeigenspannungen in Längsrichtung des Pro­ fils induziert, die nach Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug eine entsprechende Rückfederung in Längsrichtung zur Folge haben. Durch Profilabschnitte mit lokalem Unter­ maß erfolgt im IHU-Prozess an entsprechender Stelle eine Abstreckung des Materials in Umfangsrichtung des Profils. Dank der erwähnten plastischen Volumenkonstanz des Alumi­ niums werden Zugeigenspannungen in Längsrichtung des Pro­ fils induziert, die nach Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug eine entsprechende Rückfederung in Längsrichtung zur Folge haben.

Eine geeignete Verteilung von Absteck- und Aufstauchzonen führt zu einer Minimierung der resultierenden Gesamtrückfe­ derung, so dass nach dem IHU-Prozess maßhaltige Werkstücke erzielt werden.

Zur Ausformung von spitz zulaufenden Ecken bei gleichzeiti­ ger Vermeidung von lokal überhöhten Umformgraden an den Ecken führen nachstehende Maßgaben:

• - eine starke Verdickung der Profilecken ver­ hindert irreversibles Aufbiegen zu Beginn des IHU-Prozesses;
• - durch sickenähnliche Querschnittskrümmungen in unmittelbarer Nachbarschaft der verdick­ ten Profilecken kann die notwendige lokale Materialabstreckung zur Ausformung kleiner Eckradien reduziert bis vollständig elimi­ niert werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein hohles Profil mit von Profilwänden begrenztem Profilraum, bei dem jeweils zwei Profilwände einen Eckbereich des Profilquerschnitts bestim­ men und bei dem zumindest eine der an den Eckbereich an­ schließenden Profilwände einen querschnittlich gekrümmten Bereich aufweist. Bevorzugt wird dazu ein polygoner Quer­ schnitt - insbesondere ein dreiecksförmiger Querschnitt - dessen Profilwände zwischen den Eckbereichen jeweils den einwärts gekrümmten Bereich aufweisen; es ist aber auch möglich, beispielsweise nur eine einzige Profilwand mit dem gekrümmten Bereich zu versehen. Vorteilhafterweise sollte der gekrümmte Bereich der Profilwand beidends an Eckbe­ reiche anschließen. Die Querschnittsform jenes gebogenen Bereiches kann teilkreisartig oder teilellipsenartig, para­ belförmig, hyperbelähnlich oder als anders gestaltete Kon­ tur ausgebildet sein.

Als günstig hat sich ein solcher gebogener Bereich mit teilkreisförmiger Krümmungskontur erwiesen, deren Bogen­ länge vom Abstand zweier die anschließenden Eckbereiche begrenzender Schenkel bestimmt wird. Das Abstandsmaß ergibt sich aus der Seitenlänge der Profilwand abzüglich der Schenkellängen der jeweils anschließenden Eckbereiche - die je nach Profilquerschnittsform und Wanddickenverteilung auch ungleich sein können - sowie abzüglich eines Abstan­ des, der sich aus dem projizierten Spaltabstand zwischen der Außenkontur des Ausgangsprofils und der Kontur des die­ ses aufnehmenden Formraumes ergibt.

Vorteilhafterweise entspricht die Schenkellänge der Schen­ kel des Eckbereiches des Ausgangsprofils dem Dreifachen bis Vierfachen der mittleren Wanddicke der an den Eckbereich anschließenden Abschnitte der Profilwände; die Schenkellänge hängt von der Wanddicke der Profilwand sowie dem Eckwinkel des von dieser gebildeten Eckbereiches ab.

Bei einem gleichseitigen Dreiecksquerschnitt des Ausgangs­ profils soll jener Abstand der Schenkel z. B. etwa das Dreifache von deren Schenkellänge messen. In diesem Falle kann das Scheitelmaß zwischen der teilkreisförmigen Krüm­ mungskontur und einer die Schenkel verbindenden Geraden etwa der Wanddicke der Profilwand entsprechen.

Bei der Verwendung von Aluminiumstrangpressprofilen ist es möglich, den Arbeitsschritt einer Vordeformation zu vermei­ den, indem man das Ausgangsprofil gleich in der gewünschten günstigen vorgefalteten Form gestaltet. Neben der Einspa­ rung des entsprechenden Arbeitsprozesses für die Vordefor­ mation erreicht man dadurch gleichzeitig eine höhere Pro­ zesssicherheit beim Biegen oder Schließen des IHU-Werk­ zeugs.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils in skizzenhafter Wiedergabe:

Fig. 1 einen Teil eines Formwerkzeuges im Querschnitt mit in einem Formdurchbruch erkennbarem, optimal geformtem Profil­ querschnitt nach einem IHU-Vorgang;

Fig. 2 den Querschnitt durch ein Ausgangspro­ fil nach dem Stande der Technik inner­ halb einer angedeuteten Werkzeugkontur vor einem IHU-Vorgang;

Fig. 3 das Profil der Fig. 2 nach dem Verfor­ men;

Fig. 4, 6 den Querschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes stranggepresstes Ausgangsprofil mit Werkzeugkontur (in Fig. 6 gegenüber Fig. 4 vergrößert);

Fig. 5 das Profil der Fig. 4 nach dem Verfor­ men;

Fig. 7 eine Detailskizze zu Fig. 6;

Fig. 8 einen Profilrahmen in Draufsicht;

Fig. 9 den Querschnitt durch Fig. 8 nach deren Linie IX-IX;

Fig. 10 das zum Herstellen der endgültigen Kon­ tur des Profilrahmens verwendete Form­ werkzeug im Querschnitt;

Fig. 11 den Querschnitt durch ein Ausgangspro­ fil für den Profilrahmen nach dem Stande der Technik;

Fig. 12 den Querschnitt durch das Ausgangspro­ fil nach der Erfindung;

Fig. 13 das Ausgangsprofil der Fig. 12 inner­ halb des Formwerkzeuges im Querschnitt;

Fig. 14 den Querschnitt eines weiteren Profils.

In einem Formwerkzeug 10 aus einem Basisteil 11 und einem Oberteil 12 ist gemäß Fig. 1 ein Formraum 14 mit einer Wan­ dung 15 in Form eines gleichseitigen Dreiecks - mit Eck­ winkeln w von 120° - sowie einer Seitenlänge a vorgesehen und in diesem ein erwünscht ideales Hohlprofil 18 _i durch die Innenkontur 20 seiner drei Profilwände 22 angedeutet; deren Außenkonturen 24 verlaufen i. w. an jener Wandungs­ kontur 15.

Zum Erzeugen eines Hohlprofils als Endprofil 18 wird in den Formraum 14 ein - beim Beispiel der Fig. 2 mit 16 be­ zeichnetes - Ausgangsprofil engeren Querschnitts einge­ bracht. Die Außenkontur 24 dieses Ausgangsprofils 16 nach dem Stande der Technik in Fig. 2 entspricht einem gleich­ seitigen Dreieck und steht in einem etwa gleichbleibenden Spaltabstand t zur Wandung bzw. Wandungskontur 15. Dann wird das Ausgangsprofil 16 durch sogenanntes Innenhoch­ druck-Umformen (IHU), bei dem ein strömendes Druckmedium im Innenraum 26 des Ausgangsprofils 16 - in Pfeilrichtung x nach Fig. 3 - einen Hochdruck erzeugt, aufgeweitet sowie an jene Wandungskontur 15 herangeführt.

Nach dem IHU-Verformungsvorgang ist ein Hohlprofil 18 grö­ ßeren Querschnitts entstanden, dessen Profilwände 22 _a nach Fig. 3 jeweils mit ihrem mittleren Bereich der Wandungs­ kontur 14 anliegen, die sich jedoch zu den Profileckkanten 19 hin - also mit ihren Eckbereichen 28 - in zunehmendem Abstand i zur Wandungskontur 15 halten, d. h. mit letzterer einen Winkelraum 29 begrenzen, dessen Schenkel sich quer­ schnittlich von der Ecke der Wandungskontur 15 weg verjün­ gen; die Ecke wurde also nicht ausgeformt.

Um eine derart unerwünschte Formgebung zu vermeiden und ein End- oder Hohlprofil 18 _n gemäß Fig. 5 auf dem Wege des IHU- Umformens zu schaffen, das dem idealen Hohlprofil 18 _i ent­ spricht, wird ein Ausgangsprofil 16 _n nach Fig. 4 mit Pro­ filwänden 22 _n gepresst, die in einem mittleren Abschnitt 30 der Länge e (in Fig. 6, 7 durch Schraffur hervorgehoben) querschnittlich teilkreisartig einwärts geschwungen sind; der Radius r der - in Fig. 6 aus Gründen der Übersicht­ lichkeit über die Profilwand 22 _n hinaus verlängerten - Krümmungskontur K der Außenfläche 32 des Krümmungsab­ schnittes 30 entspricht etwa jener Länge e. Von den Profileckkanten 19 weg verlaufen beidseits lineare Wandab­ schnitte 34 der Länge f als Schenkel des Eckwinkels w von 120° bzw. des von diesem bestimmten - und gegenüber der Wanddicke b verdickt ausgeformten - Eckbereichs 28 _n. Der Abstand der von den Schenkeln 34 begrenzten Eckbereiche 28 _n voneinander definiert die Bogenlänge der Krümmungskontur K bzw. die oben erwähnte Länge e und mißt hier etwa das Drei­ fache der Schenkellänge f. Das Scheitelmaß h der dazwischen verlaufenden teilkreisförmigen Außenkontur oder Außenfläche 32 der Profilwand 22 _n entspricht etwa der Wanddicke b oder ist geringfügig größer. Der Innenhochdruck schiebt durch das Begradigen der gekrümmten Abschnitte 30 der Profilwände 22 _n die beschriebenen Eckbereiche 28 _n mit Eckwinkel w in die jeweils benachbarten Ecken des Formraums 14, so dass jene Winkelräume 29 im Beispiel der Fig. 3 vermieden werden. Die Ecken werden in der von der Eckmittellinie N bestimmten Richtung verschoben.

Der Klarheit halber sei darauf hingewiesen, dass die Maß­ gabe, das Scheitelmaß h etwa der Wanddicke b entsprechen zu lassen, lediglich für das hier gewählte Ausführungsbeispiel zutrifft; wesentlich für die Gestaltung der Krümmungskontur K ist deren abgewickelte Länge bzw. das Bogenmaß y (Fig. 7). Die abgewickelte Länge y entscheidet darüber, ob der interessierende Abschnitt der Profilwand 22 _n ein Unter- oder ein Übermaß gegenüber der abgewickelten Seitenlänge a der Endkontur aufweist. Soll beispielsweise der interessie­ rende Abschnitt mit einem Übermaß u gestaltet werden (für den Fall eines Untermaßes ist u negativ), so muss für das Bogenmaß

gelten, worin i₁ ein Eckabstand ist, der sich aus dem zuge­ hörigen Eckwinkel w sowie jenem lokalen Spaltabstand t er­ gibt über die Beziehung

Zudem gilt hier unter Einbindung der Schenkellänge f:

e = a - 2 (f + i₁). (3)

Je nach Ausführung der Krümmungskontur K ergibt sich in Ab­ hängigkeit von dem in Fig. 7 erkennbaren Bodenmaß y das Scheitelmaß h. Wird K als Kreisabschnitt ausgeführt, so können - unter Einbeziehung des von den Grenzradien r₁ des Krümmungsbereiches 30 bestimmten Scheitelwinkels q - zu­ sätzlich zu Gleichung (1) die folgenden Gleichungen zur Be­ stimmung des Scheitelmaßes h herangezogen werden:

Der Wert des Scheitelmaßes h läßt sich mit Hilfe eines nu­ merischen Iterationsverfahrens bestimmen. Zudem ist bei der Gestaltung eines Strangpressprofilquerschnitts in der Praxis mit Verwendung eines CAD-Programms die Bogenlänge y einer gezeichneten Kontur bekannt, und diese kann leicht dahingehend angepasst werden, dass sich das gewünschte Maß ergibt.

Mit dem erörterten Ausführungsbeispiel soll das Verfahren zur Ausformung spitzer Eckbereiche dargestellt werden. Die genaue Geometrie des Werkstückquerschnitts ist hierbei je­ doch nicht bindend; es könnte auch ein Rechteckquerschnitt oder eine völlig andere - auch unregelmäßige - Geometrie sein. Zudem muss jene Krümmungskontur K - wie schon er­ wähnt - nicht notwendigerweise als Kreisabschnitt ausge­ bildet sein; es können auch Ellipsen, Parabeln, Hyperbeln, Splines oder andere Konturen angewendet werden.

Ein in Fig. 8, 9 skizzierter - in Längserstreckung leicht gekrümmter - Profilrahmen 40 der beispielsweisen Längen von etwa 2000 mm mit seitlichem Steg 41 wird an den Endkan­ ten 42 sowie im Mittenbereich 43 mit anderen - nicht ge­ zeigten - Bauteilen verschweisst. Um ein Laserschweissver­ fahren anwenden zu können, ist für die Biegelinie eine To­ leranz von etwa ± 0.5 mm erforderlich. Auch der Profilrah­ men 40 wird aus einem Aluminiumstrangpressprofil gefertigt, welches zunächst gebogen wird und anschließend in einem IHU-Prozess seine endgültige Kontur erhält.

Die Kontur 15 des Formraumes 14 _a des IHU-Werkzeuges 10 _a entspricht gemäß Fig. 10 der gewünschten Außenkontur des fertigen Profilrahmens 40. Der Biegeprozess wird derart gestaltet, dass durch die geringe Krümmung des Profilrah­ mens 40 die aus dem Biegeprozess resultierende Änderung des Querschnitts vernachlässigt werden kann.

Bislang wird - wie Fig. 11 anbietet - die Querschnitts­ form des Ausgangsprofils 38 möglichst nahe an die Endkontur angelehnt; die oberen Profilwände 45, 46 sind nach außen gekrümmt, die untere Profilwand 44 ist gerade und durch den erwähnten Seitensteg 41 einseitig verlängert.

Nach dem Biegeprozess wird das Werkstück in das mehrteilige IHU-Werkzeug 10 _a eingebracht. Bei Erhöhung des Innendrucks legen sich zuerst die drei Profilflanken oder -wände 44, 45, 46 an die Wandungskontur 15 an. Die Ecken mit kleineren Radien sind zunächst nicht ausgeformt. Bei weiterer Erhö­ hung des Innendrucks werden schließlich auch die Eckberei­ che 48 ausgeformt. Durch die Reibung zwischen Werkzeug 10 _a und Werkstück 16 beschränken sich die Zugumformungen in Profilumfangsrichtung, welche für die Ausformung der Ecken notwendig sind, auf die Profilecken 48 selbst und die sich unmittelbar anschließenden Bereiche. Durch die plastische Volumenkonstanz von Aluminium führen diese Umformungen zu Zugeigenspannungen in Längsrichtung an den Eckpunkten 48. Das resultierende Moment bezüglich der Biegehauptachse A verschwindet nicht, da sich rechtsseitig ein Übergewicht der Zugeigenspannungen ergibt. Bei Entnahme des Werkstücks 38 aus dem Werkzeug 10 _a kommt es aus diesem Grund zu einer entsprechenden elastischen Rückfederung, so dass der Pro­ filrahmen 40 nach dem IHU-Prozess eine geringere Krümmung aufweist als die, welche durch die Wandungskontur 15 vor­ gegeben ist. Die geforderte Toleranz kann somit nicht ein­ gehalten werden.

Den beschriebenen Rückfederungseffekten kann durch eine Ge­ staltung des Ausgangsprofils 38 _n gemäß Fig. 12 entgegenge­ wirkt werden. Um dies zu erreichen, muss das durch Eigen­ spannungen induzierte Moment bezüglich der Biegehauptachse A reduziert bzw. eliminiert werden, d. h. rechts dieser Bie­ gehauptachse A müssen statt Zugeigenspannungen überwiegend Druckeigenspannungen induziert werden bzw. links der Biege­ hauptachse A überwiegend Zugeigenspannungen. Dies wird mit dem in Fig. 12 dargestellten Profilquerschnitt des Aus­ gangsprofils 38 _n dank folgender Gestaltungsmethoden er­ reicht:

• - Die Bogenlänge der stegfernen oberen Pro­ filwand 46 _n weist ein Übermaß in Bezug auf die Endkontur auf, so dass im IHU-Prozess an dieser Stelle eine Stauchung in Um­ fangsrichtung stattfindet, durch welche die gewünschten Druckeigenspannungen in Längs­ richtung induziert werden; das Übermaß ist zur Innenseite hin gewölbt, um eine Umfor­ mung beim Schließen des Werkzeuges 10 _a zu verhindern.
• - die stegnahe obere Profilwand 45 _n weist ein Untermaß in Bezug auf die Endkontur auf, so dass im IHU-Prozess an dieser Stelle eine Materialabstreckung in Umfangsrichtung stattfindet, durch welche die gewünschten Zugeigenspannungen in Längsrichtung indu­ ziert werden.
• - Die Basis- oder Sockelwand 44 _n ist von den Eckbereichen 48 querschnittlich aufgewölbt, um wie in Fig. 6 - Eckenausformung bei ei­ nem Dreieckprofil - die Ausformung der Ecke 48 _n zu vereinfachen.

Bei diesem Ausgangsprofil 38 _n legen sich im IHU-Prozess entgegen der zum Stande der Technik beschriebenen Gestal­ tungsweise zuerst die Eckbereiche 48 _n an die Werkzeugkontur 15 an. Durch Reibung haftet das Werkstück 38 _n in diesen Eckbereichen 48 _n am Werkzeug. Bei den für IHU-Anwendungen üblichen geringen Profilwanddicken b haftet auch bei guter Schmierung (µ < 0,05) ein Großteil der Profilfläche unter Zugbelastung am Werkzeug.

Durch weitere Druckerhöhung legen sich erst anschließend unter entsprechender plastischer Deformationen die Profil­ wände 44 _n, 45 _n, 46 _n an, wobei jeweils die gewünschten Eigen­ spannungen in Profillängsrichtung zur Verhinderung der Rückfederung induziert werden. Das so entstehende Endprofil 50 _n ist in Fig. 10 lediglich mit einer Teilkontur angedeu­ tet.

Das Profil 52 der Fig. 14 soll andeuten, dass sich - wie schon gesagt - die geschilderte Verfahrensweise nicht auf Dreiecksquerschnitte beschränkt. Das Zweikammerprofil 52 weist links einer Mittelwand 54 eine Kammer 56 mit - zwischen einem Bodenstreifen 57 und der Mittelwand 54 - gekrümmter Seitenwand 59 auf sowie eine rechte Kammer 60 mit von einem - zum Bodenstreifen 57 in Abstand parallelen - Firststreifen 61 ausgehender Seitenwand 62, die aus zwei in einem Winkel zueinander geneigten Querschnitten 62 _a, 62 _b besteht. Dieses Zweikammerprofil 52 bietet vier rechtwinke­ lige Eckbereiche 58 an. Die in den Profilwänden 54, 57, 59, 61, 62 vorhandenen gekrümmten Bereiche des Ausgangsprofils sind in der Zeichnung nicht verdeutlicht.

Claims (31)

1. Verfahren zum Umformen eines einen Profilraum aufwei­ senden Ausgangsprofils od. dgl. Werkstückes mittels eines in dem abgedichteten Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdruckes zu einem Endprofil, insbesondere zum Umformen bis zur An­ lage des Endprofils an die Wandung eines Formraumes, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich auf­ weisenden Ausgangsprofils an den Eckbereich an­ schließende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschließend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben des Eckbereiches in Druckrichtung rückgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umformen eines wenigstens zwei Eckbereiche aufweisenden Ausgangsprofils zwischen den Eckbereichen verlaufende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschließend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben der Eckbereiche in Druckrichtung rückgeformt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eckwinkel des Eckbereiches von etwa 90°.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eckwinkel des Eckbereiches unter 90°, bevorzugt durch einen spitz zulaufenden Eckbereich.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschieben des Eckbereichs in Richtung von dessen Eckmittellinie (N) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Umformgrad am Aus­ gangsprofil als Übermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils durch eine sickenähnliche, einwärts gerich­ tete Krümmung des Profilquerschnitts hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Umformgrad am Aus­ gangsprofil als Untermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Eckbereiche am Ausgangs­ profil verdickt ausgeformt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand in an die Eckbereiche an­ schließenden Bereichen mit einwärts gekrümmtem Quer­ schnitt geformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand in an die Eckbereiche anschließen­ den Bereichen mit relativ zum Endquerschnitt einwärts gekrümmtem Querschnitt geformt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand des Ausgangspro­ fils zumindest mit einem querschnittlich teilkreisar­ tig oder teilellipsenartig gekrümmten Bereich (30) geformt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand des Ausgangspro­ fils zumindest mit einem querschnittlich parabelförmig, hyperbelähnlich od. dgl. gekrümmten Be­ reich geformt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zur Profilinnenseite gekrümmten Übermaß des Ausgangsprofils während des IHU-Umformens eine Stauchung in Umfangsrichtung durchgeführt sowie Druck­ eigenspannungen induziert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vom Ausgangsprofil weg gerichteten Untermaß während des IHU-Umformens eine Materialab­ streckung in Umfangsrichtung durchgeführt wird sowie Zugeigenspannungen induziert werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des IHU-Umformens zuerst die Eckbereiche an die Wandung des Formraumes und dann die Profilwandungen herangeführt werden.

16. Profil mit von Profilwänden begrenztem Profilraum, bei dem jeweils zwei Profilwände einen Eckbereich des Pro­ filquerschnitts bestimmen, insbesondere Ausgangsprofil zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der an den Eckbereich (28 _n, 48 _n, 58) anschließenden Profilwände (22 _n; 44 _n bis 46 _n; 54, 57, 59, 61, 62) einen querschnittlich gekrümmten Be­ reich (30) aufweist,

17. Profil nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen polygonen Querschnitt, dessen Profilwände (22 _n) zwischen den Eckbereichen (28 _n) jeweils den einwärts gekrümmten Bereich (30) aufweisen (Fig. 6).

18. Profil nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen polygonen Querschnitt, bei dem jeweils zwei Eck­ bereiche (48 _n) verbindende ausgewählte Profilwände (44 _n bis 46 _n) einen gekrümmten Bereich (30) aufweisen (Fig. 12).

19. Profil nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch einen dreieckförmigen Querschnitt.

20. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der gekrümmte Bereich (30) der Pro­ filwand (22 _n, 44 _n bis 46 _n) beidends an Eckbereiche (28 _n, 48 _n) anschließt.

21. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekenn­ zeichnet durch eine Verdickung der/des Eckbereiche/s (28 _n, 48 _n, 58).

22. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Profilwand (22 _n, 44 _n bis 46 _n) des Ausgangsprofils (16 _n, 38 _n) zumindest ein quer­ schnittlich teilkreisartig oder teilellipsenartig ge­ krümmter Bereich (30) eingeformt ist.

23. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Profilwand (22 _n, 44 _n bis 46 _n) des Ausgangsprofils (16 _n, 38 _n) zumindest ein quer­ schnittlich parabelförmig, hyperbelähnlich od. dgl. ge­ krümmter Bereich (30) eingeformt ist.

24. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der/die Eckbereiche (28 _n, 48 _n) am Ausgangsprofil (16 _n, 38 _n) im Verhältnis zur Dicke (b) der benachbarten Profilwand (22 _n; 44 _n bis 46 _n) verdickt ausgeformt ist/sind.

25. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekenn­ zeichnet durch einen gekrümmten Bereich mit teilkreis­ förmiger Krümmungskontur (K), deren Bogenlänge (y) vom Abstand (e) die anschließenden Eckbereiche (28 _n, 48 _n) begrenzender Schenkel (34) bestimmt ist (Fig. 7).

26. Profil nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch ein Maß des Abstandes (e) der Schenkel (34) aus der um die Schenkellängen (f) der anschließenden Eckbereiche (28, 48) sowie dem projizierten Abstand (t) der Außenfläche des Schenkels (34) des Ausgangsprofils (16 _n, 38 _n) von der entsprechenden Wandaußenfläche des vorgesehenen Endprofils (18 _n, 50 _n) verminderter Seitenlänge (a) der Profilwand (22).

27. Profil nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schenkellänge (f) der Schenkel (34) des Eckbereiches (28 _n, 48 _n) des Ausgangsprofils (16 _n) dem Dreifachen bis Vierfachen der mittleren Wanddicke (b) der an den Eckbereich anschließenden Bereiche der Pro­ filwände (22 _n) entspricht.

28. Profil nach einem der Ansprüche 25 oder 27, gekenn­ zeichnet durch eine Abhängigkeit der Schenkellänge (f) von der Wanddicke (b) der Profilwand (22 _n; 44 _n bis 46 _n) sowie dem Eckwinkel (w) des von diesem gebildeten Eck­ bereiches (28 _n, 48 _n).

29. Profil nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einem etwa gleichseitigen Drei­ ecksquerschnitt des Ausgangsprofils (16 _n) der Abstand (e) der Schenkel (34) etwa das Dreifache von deren Schenkellänge (f) misst.

30. Profil nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Scheitelmaß (h) zwischen der teilkreisförmigen Krümmungskontur (K) und einer die Schenkel (34) verbindenden Geraden etwa der Wanddicke (b) der Profilwand (22 _n, 44 _n bis 46 _n) entspricht.

31. Profil nach einem der Ansprüche 16 bis 30, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (16 _n, 38 _n; 52) ein aus einer Leichtmetallegierung stranggepresstes Profil ist.