DE19955694A1

DE19955694A1 - Verfahren zum Umformen eines Ausgangsprofils o. dgl. Werkstückes sowie Profil dafür

Info

Publication number: DE19955694A1
Application number: DE19955694A
Authority: DE
Inventors: Christian Leppin; Markus Gehrig
Original assignee: Alusuisse Technology and Management Ltd
Current assignee: 3A Composites International AG
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-23
Also published as: ES2203523T3; ATE246059T1; EP1233837A2; WO2001036121A3; EP1233837B1; CA2391444A1; US6810705B1; WO2001036121A2; DE50003146D1

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 - insbesondere zum Umformen bis zur Anlage des Endprofils an die Wandung eines Formraumes - wird vor dem Umformen durch Innenhochdruck das Ausgangsprofil im Abstand zu seinen freien Enden sowie quer zu seiner Längsachse zu einem Querschnitt mit günstigen Biegeeigenschaften geformt. Während des Biegevorganges wird die Mittellinie des Bauteils ausgeformt sowie durch Innenhochdruck dessen Querschnitt verformt.

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 wenigstens einer Profilwand begrenztem Profilraum als 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.

Der DE 35 32 499 C1 ist beispielhaft eine Vorrichtung zum hydraulischen Aufweiten eines Rohrabschnitts unter Einsatz einer in das Rohr einführbaren zapfenartigen zylindrischen Sonde, die mittels mindestens zweier im Abstand voneinander befindlicher Dichtringe mit dem aufzuweitenden Rohrab schnitt einen Ringraum bildet, der zum Aufweiten mit Druck mittel gefüllt wird. Vor Beginn des Aufweitungsvorganges werden die beiden Dichtringe zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen Sonde und Rohr radial mit Druckmittel beauf schlagt. Die Druckmittelzufuhr zum Ringraum geschieht über zumindest eine Aufnahmenut und wird durch einen als Ventil körper dienenden Dichtring gesteuert, der eine zwischen Aufnahmenut und Ringraum befindliche Öffnung so lange ver schließt, bis er durch elastisches Aufweiten seine Dicht wirkung erreicht hat.

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. 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.

Beim Biegeumformen metallischer Rohre oder Strangpresspro file wird im allgemeinen versucht, den Biegeprozess derart zu gestalten, dass der Ausgangsquerschnitt des Werkstücks in dem dann gekrümmten. Werkstück erhalten bleibt. Falten bildung am Innenradius bzw. Einfaltungen am Außenradius sind dabei zu verhindern. Es wurden verschiedenartige Tech niken entwickelt, um dieses Ziel zu erreichen; beispielhaft seien einige solche Verfahren aufgeführt:

- Streckbiegen;
- Biegen über einen Dorn;
- Warmbiegen.

Auch bei gekrümmten Hydroformbauteilen, zu deren Herstel lung ein Biegeprozess vor einem Innenhochdruckumformen vor gesehen ist, werden solche Biegetechniken verwendet.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder ein alternatives Biegeverfahren für Hydroformbauteile zum Ziel gesetzt, bei dem bewußt darauf verzichtet wird, im Biegeum formprozess eine Formgebung oder Formerhaltung anzustreben, die der Kontur des letztendlich zu formenden Querschnitts möglichst nahe kommt.

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 wird vor dem Umformen durch Innenhochdruck das Ausgangsprofil in Abstand zu seinen freien Enden sowie quer zu seiner Längsachse zu einem Querschnitt mit günsti gen Biegeeigenschaften geformt, insbesondere zu einem flachen bzw. etwa ovalen Querschnitt. Dazu hat es sich als günstig erwiesen, das - beispielsweise aus einer Leichtmetalllegierung stranggepreßte oder aus einem Blech gebogene und gefügte - Ausgangsprofil mit dem zu verformenden Bereich einem Werkzeug zuzuordnen und durch dieses querschnittlich zu verformen - zudem soll das Ausgangsprofil nach dem querschnittlichen Verformen um diesen Bereich gebogen werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, das Ausgangsprofil an einem stehenden Werkzeug zu lagern sowie durch ein transla torisch und rotatorisch bewegbares Gegenwerkzeug sowohl querschnittlich zu verformen als auch zu biegen.

Ein für die erfindungsgemäße Vorgehensweise vorteilhaftes Ausgangsprofil ist von etwa H-förmigem Querschnitt mit zwei etwa parallelen und miteinander verbundenen Kammern. Deren Flankenwände sollen querschnittlich einwärts gebogen sein, wohingegen die innenliegenden Begrenzungen der Kammern durch rinnenartige Einformungen gebildet sind.

Es handelt sich vorliegend um einen kombinierten Biege-IHU- Prozess, für den der Wahl des Ausgangsmaterials prinzipiell keine Grenzen gesetzt sind; bei letzterem kann es sich um Aluminium, Stahl oder andere Metalle handeln, gegebenen falls auch um nichtmetallische Werkstoffe. Folgende in Kom bination mit IHU-Prozessen einsetzbare Biegeverfahrensme thoden können hier unterschieden werden:

- eine ihm vorgeschaltete Deforma tion zu einem Querschnitt mit gün stigen Biegeeigenschaften;
- eine begleitende Umformung zu einem biegegünstigen Querschnitt während des Biegeprozesses;
- eine Gestaltung von biegegünstigen Querschnitten bei Strangpresspro filen - bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung - ohne vorgeschalteten oder begleitenden Umformprozess.

Der Erfinder forciert gezielt Einfaltungen beim Biegen oder er drückt das Werkstück flach; gegebenenfalls gestaltet er Strangpressprofile bereits im Ausgangszustand entsprechend als flache Hochkantprofile, um auf diese Weise ein geringes Flächenträgheitsmoment zu erreichen, so dass sich im Biegeumformprozess entsprechend geringe plastische Verzer rungen ergeben. Erst im anschließenden IHU-Prozess wird das Werkstück zur endgültigen Form gestaltet.

In der erfindungsgemäßen Kombination von Biege- und IHU- Prozess gibt es eine deutliche Aufgabentrennung:

- der Biegeprozess dient der Formge bung der Bauteil-Mittellinie,
- der IHU-Prozess dient der Quer schnittsformgebung.

Damit soll weniger eine Vereinfachung des technischen Auf wandes beim Biegen erreicht werden als vielmehr vor allem eine Minimierung des Umformgrades. Bei dem erfindungsgemä ßen Biegeprozess verringert sich der erreichte Umformgrad erheblich gegenüber einem Biegeprozess nach einem dem Stande der Technik entnommenen Verfahren. Das heißt, mit einer klassischen Biegetechnik, in der man bereits im Bie geprozess bestrebt ist, eine dem gewünschten Endergebnis möglichst nahe Querschnittskontur zu erreichen, lassen sich nur in Ausnahmefällen günstige Ergebnisse in Bezug auf die akkumulierten plastischen Verzerrungen am Ende der gesamten Umformprozessfolge erzielen. Im Gegensatz dazu steht bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Biegestrategie durch den geringeren Umformgrad im anschließenden IHU-Prozess ein höheres Restumformvermögen zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Biegeverfahren zur Herstellung von IHU-Bauteilen bietet erhebliche Vorteile.

- Mit dem gleichen Werkstoff können größere Umformungen im IHU-Prozess realisiert werden, d. h. es besteht eine größere Freiheit bei der Ge staltung der Endkontur eines IHU- Bauteils;
- IHU-Bauteile mit weitaus geringe ren Biegeradien bei gleichen Quer schnittsabmessungen werden mög lich.

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

Fig. 1: eine Schrägsicht auf ein gekrümmtes Vierkantprofil;

Fig. 2, 3, 4: drei Skizzen zu Schritten eines Biegevorganges sowie

Fig. 5: eine vergrößerte Schrägsicht auf das Produkt des Biegevorganges;

Fig. 6, 7: zwei Skizzen zu einem Berechnungs vorgang;

Fig. 8, 9, 10: jeweils einen Querschnitt durch ein Vorprofil zur Herstellung des Vier kantprofils;

Fig. 11: eine Schrägsicht auf ein Vorprofil mit dem Querschnitt der Fig. 10;

Fig. 12 bis 15: vier Skizzen zum Ablauf der Ausfor mung des Vierkantprofils.

Aus einem Vierkantrohr 10 der Breite b von 80 mm und der Querschnittshöhe h von 50 mm ist während eines Biegevor ganges mit anschließendem IHU-Prozess ein - zueinander rechtwinkelig verlaufende Rohrabschnitte 1%, enthaltendes - Winkelstück 11 mit einem inneren Biegeradius R₁ von 200 mm gefertigt worden.

Die Fig. 2 bis 5 verdeutlichen das Biegen eines Rohrprofils 10 _a runden Querschnitts zu einem Winkelstück 11 _a mit einem Krümmungswinkel q von 90°; im Verlaufe dieses Verfahrens wird jenes Rohrprofil 10 _a zwischen zwei rollenartige Werkzeuge 12, 12 _r so eingeführt, dass es hier etwas außerhalb seiner Längsmitte einem Werkzeug 12 dieser Werkzeugpaarung tangential anliegt, wonach das andere Werkzeug 12 _r als Gegenwerkzeug in Schließrichtung x translatorisch an das Rohrprofil 10 _a herangefahren wird. Das bewegbare Werkzeug 12r beginnt nun in einer Rota tionsrichtung y seinen Weg um das stehende Werkzeug 12 und nimmt dabei den in Fig. 2 bis 4 oberen Rohrabschnitt 11q mit aus der Längsachse A des Rohrprofils 10 _a.

Die Darstellung der Fig. 5 läßt erkennen, dass jenes Rohr profil 10 _a während des Biegevorganges im Anlagebereich an das stehende Werkzeug 12 eingedellt worden ist. Dieser ver formte Bereich G bestimmt mit den Endkanten 13 des Rohrpro fils 10 _a bzw. des Winkelstücks 11 _a Abstände e, e₁. Seine vertikale Mittellinie ist mit M bezeichnet.

Dem Herstellungsverfahren lagen - unter Bezugnahme auf Fig. 6, 7 - die nachfolgenden theoretischen Überlegungen zugrunde. Ein Profilabschnitt 14 hat im Ausgangszustand nach Fig. 6 den lokalen Krümmungsradius R_mA und wird so in den Endzustand 14 _a nach Fig. 3 gebogen, dass sich in diesem Endzustand der Krümmungsradius R_mB einstellt; die beiden Krümmungsradien R_mA und R_mB beziehen sich jeweils auf die biege-neutrale Faser des Querschnitts. Unter der Annahme, dass beim Biegen keine Querschnittsänderung stattfindet, ergibt sich für die Dehnung ε_z an einer beliebigen Stelle im Abstand z von jener neutralen Faser:

hierin sind l_zA, l_zB die Längen vor und nach dem Biegevor gang, w₁ der Winkel, den der Rohr- bzw. Profilabschnitt 14 vor dem Biegen einschließt sowie w₂ der nach dem Biegen durch den Profilabschnitt 12 _a eingeschlossene Winkel.

Bei einer Biegung - ohne eine überlagerte Abstreckung - bleibt die Länge der neutralen Faser konstant:

w₂ R_mB = w₁ R_mA

Nach dem Einsetzen und Umformen erhält man

für die Dehnungen an einer beliebigen Stelle im Abstand z von der neutralen Faser. Für den Sonderfall eines unge krümmten Ausgangsmaterials (R_mA = ∞) ergibt sich

Extreme Werte der Dehnung ε_z entstehen für extreme Abstände z zur neutralen Faser. Bei symmetrischen Querschnitten mit einer Breite b ist z_max = b/2 und somit

Mit den Gleichungen (1) bis (3) können unter den gegebenen Voraussetzungen die in einem Rohr bzw. Profil 14 auftreten den Dehnungen - einschließlich der maximalen Dehnungen - bei einer Biegeumformung abgeschätzt werden.

Beispielsweise soll ein in Fig. 8 querschnittlich zylin drisch angedeutetes Rohrprofil 15 des Durchmessers d von 80 mm und einer Wanddicke t von 2 mm vor einem IHU-Prozess derart gebogen werden, dass sich ein innerer Biegeradius R1 von 200 mm ergibt. Bei einem üblichen Biegevorgang kann die maximale Dehnung am Außenradius nach obenstehender Gleichung (3) abgeschätzt werden. Mit den gegebenen Aus gangsgrößen

b = d = 80 mm; R_mA = ∞; R_mB = d/2+200 mm = 240 mm

ergibt sich der Wert

ε_max = 16,7%.

Um nun die im Biegeprozess auftretenden Maximaldehnungen zu mindern, wird der Rohrquerschnitt vor dem Biegeprozess so verformt, dass sich näherungsweise ein elliptischer Quer schnitt der Höhe i von 112 mm und der Breite n von 48 mm mit den bei M und Q angedeuteten Hauptachsen ergibt. Der Querschnittsumfang des elliptischen Profils 15 _a von hier 251,30 mm bleibt jenem des kreisförmigen Rohres oder Rohr profils 15 gleich.

Im Scheitel des elliptischen Querschnitts ergibt sich ein Krümmungs- oder Scheitelradius r von 10 mm und - wie ge sagt - eine Gesamtbreite n nach dem beschriebenen verfor menden Eindellen von nur 48 mm.

Durch dieses Eindellen des Rohrprofils 15 entsteht ein Be lastungsmaximum im Scheitel des Querschnitts. Auch hier können die resultierenden maximalen Dehnungen mittels jener Gleichung (3) abgeschätzt werden; mit

b = t = 2 mm; R_mA = d/2 = 40 mm; R_mB = r = 10 mm

erhält man infolge jenes Eindellens des Rohrprofils oder Rohres 15 am Scheitelpunkt des entstehenden Profils 15a elliptischen Querschnitts eine maximale Umfangsdehnung von ε_max = 7,3%.

Durch die reduzierte Breite von n = 48 mm beträgt im an schließenden Biegeprozess die Abstreckung am Außenradius in Längsrichtung nur noch ε_max = 10,0%. Mit einem Biegepro zess, bei dem der Rohrquerschnitt vorher eindellend ver formt wird, kann somit die maximale Dehnung gegenüber üblichen Biegetechnicken etwa um die Hälfte reduziert werden.

Da der Einsatz eines Kreisquerschnitts im Biegeprozess also zu einem vergleichsweise hohen Umformgrad führt, ist es besser, hier einen elliptischen Querschnitt zu wählen, der aber wiederum ungünstig für die Beschickung eines in den Fig. 12 bis 15 bei 30 angedeuteten IHU-Werkzeugs ist; die ses Werkzeug 30 kann dann nämlich nicht geschlossen werden, ohne dabei das vorgebogene Werkstück oder Profil 14a zu zerdrücken.

Mit einem optimierten - gemäß Fig. 10 querschnittlich einem "H" ähnlichen - Vorprofil 16 wird beim Biegen der gleiche Umformgrad erzielt wie mit dem elliptischen Quer schnitt. Zudem aber läßt sich das gebogene Werkstück pro blemlos in das IHU-Werkzeug 30 einlegen.

Das gestellte oder gefaltete Vorprofil 16 der Höhe 11 von 50 mm sowie der Breite n₁ von 48 mm ist - wie gesagt - querschnittlich H-förmig mit zwei i. w. parallelen Vertikal kammern 18, deren äußere Flankenwände 20 zur horizontalen Hauptachse Q einwärts gekrümmt sind. Die inneren Kammer wände 22 sind Abschnitte von sickenartigen Einformungen 24 der Bodenwand 26 und der Firstwand 28 des Vorprofils 16. Der Abstand s der Tiefsten beider Einformungen 24 ent spricht etwa einem Sechstel der Profilhöhe i₁.

Sowohl die Breite n₁ dieses der Fig. 11 in Schrägsicht zu entnehmenden Vorprofils 16 als auch dessen Querschnittsum fang entspricht den entsprechenden Maßen des elliptischen Profils 14 _a der Fig. 9.

Das auf dem Wege des Strangpressens erzeugte Vorprofil 16 wird gemäß Fig. 12 in das aus Unterwerkzeug oder Sockelteil 30 und Oberwerkzeug oder Deckelteil 36 bestehende Werkzeug 32 eingelegt. Von diesem sind nur die für den Umformvorgang relevanten Konturen der Werkzeugoberflächen des Unter werkzeugs 32 mit Bodenwandung 33 und Seitenwandung 34 sowie des Oberwerkzeugs 36 skizziert.

Fig. 13 zeigt den Schritt des Aufweitens des Vorprofils 16 mittels eines in seinen Innenraum 19 einströmenden Druckme diums. Im Verlaufe dieses Druckvorganges legt sich das im Werkzeugraum 38 lagernde Vorprofil 16 der Bodenwandung 33 und den Seitenwandungen 34 des Unterwerkzeugs 32 sowie dem Oberwerkzeug 36 innenseitig an. Dabei ist die Aufweitung der Bodenwand 26 und Firstwand 28 recht gering; das Vorpro fil 16 faltet sich durch das in seinen Innenraum 19 ein strömende Druckmedium - nahezu einer Ziehharmonika ent sprechend - auf und füllt auf diese Weise den Werkzeugraum 38 aus. Erst gegen Ende des Auffaltvorgangs kommt es bei der Ausformung des Werkzeugraums 38 in den Wänden 20, 26, 28 des Profils 16 zu Abstreckungen.

Das in beschriebener Weise im Werkzeug 30 erzeugte Vierkan trohr 10 bzw. Winkelstück 11 wird dann aus dem Werkzeugraum 38 herausgenommen (Fig. 15).

Claims

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 Anlage des Endprofils an die Wandung eines Formrau mes, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen durch Innenhochdruck das Aus gangsprofil (10, 10 _a, 15, 16) in Abstand zu seinen freien Enden (13) sowie quer zu seiner Längsachse (A) zu einem Querschnitt mit günstigen Biegeeigenschaften geformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Biegevorganges die Mittellinie des Bauteils ausgeformt sowie durch Innenhochdruck dessen Querschnitt verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Ausgangsprofil (10, 10 _a, 15, 16) mit dem zu verformenden Bereich (G) einem Werkzeug (12, 12 _r) zugeordnet und durch dieses querschnittlich verformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (10, 10 _a, 15, 16) auf dem Wege des Strangpressens geformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (10, 10 _a, 15, 16) aus einem Blech gebogen und gefügt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (10, 10 _a, 15, 16) nach dem querschnittlichen Verformen um diesen Bereich (G) gebogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass das Ausgangsprofil (10 _a) an einem ste henden Werkzeug (12) gelagert sowie durch ein trans latorisch (x) und rotatorisch (y) bewegbares Gegen werkzeug (12 _r) sowohl querschnittlich verformt als auch gebogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (10 _a, 15) in einem Bereich (G) zu einem flachen, gegebenenfalls etwa ovalen Querschnitt verformt wird.

9. Profil mit von wenigstens einer Profilwand begrenztem Profilraum als Ausgangsprofil zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (16) von etwa H-förmigem Querschnitt ist sowie zumindest zwei etwa parallele und miteinander verbundene Kammern (18) aufweist.

10. Profil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwände (20) querschnittlich einwärts gebo gen sind (Fig. 10).

11. Profil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass die innenliegenden Begrenzungen (22) der Kammern (18) durch rinnenartige Einformungen (24) an den Boden- und Firstflächen (26, 28) gebildet sind.

12. Profil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Strangpressprofil oder ein aus Blech hergestelltes Profil (16) ist.