DE60226336T2

DE60226336T2 - Verfahren zum innenhochdruckumformen von gegenständen und damit hergestellter gegenstand

Info

Publication number: DE60226336T2
Application number: DE60226336T
Authority: DE
Inventors: Kent S. Saint Paul TARBUTTON; Joseph M. Saint Paul LENDWAY
Original assignee: 3M Innovative Properties Co; General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co; 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: US7175204B2; ATE393675T1; CN1284641C; JP2005511308A; US6742258B2; AU2002352763A1; JP4927315B2; US20030102668A1; CN1596161A; WO2003047785A1; EP1448328A1; US20040195817A1; EP1448328B1; DE60226336D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbindung von zwei Rohrelementen in einer Weise, die es ermöglicht, die verbundenen Elemente durch Innenhochdruck in eine gewünschte Form zu bringen. Spezieller gesagt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von Außen- und Innenrohrabschnitten eines Metallrohrs mit einem Klebstoff, wobei die verbundenen Abschnitte dann den Belastungen einer Innenhochdruckumformung widerstehen können, um ein Fertigprodukt zu bilden. Das Dokument US 5720092 A offenbart die Verfahren und den Gegenstand nach den Vorworten der Ansprüche 1, 5 und 6.
STAND DER TECHNIK
Bereits in der Vergangenheit sind Blechabschnitte für Rahmen von Kraftfahrzeugen verwendet worden. Eine relativ neue Entwicklung bei Kraftfahrzeugen ist die Verwendung von Rohrrahmen statt der herkömmlichen Blechrahmen, um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Es ist also in der Automobilindustrie bekannt, wie man einen Rahmen für Fahrzeuge herstellt, auf dem verschiedene Teile oder Chassisplatten montiert werden können. Solche Rahmen können aus einer Reihe von einzelnen geraden rohrförmigen (Rohr-)Elementen gebildet werden, die miteinander verbunden werden können, um Rohrabschnitte zu bilden. Diese Rohrabschnitte können einen durch Innenhochdruck vorverformbaren Vogelkäfig bilden, der dann durch Innenhochdruck in die Endform gebracht werden kann.
Rohrelemente sind wegen ihrer unmittelbaren Verfügbarkeit und des guten Gewichts-Festigkeitsverhältnisses vorteilhaft. Im Ergebnis dessen ist die Verwendung solcher rohrförmiger Elemente ökonomisch vorteilhaft. Die endgültigen Formen dieser Elemente können von ihrem ursprünglichen Rohraufbau stark abweichen und sind tatsächlich oft im wesentlichen rechteckig. Obwohl diese Rohrelemente in der Vergangenheit oft ihre Form durch Pressen erhielten, ist ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Formung dieser Rohrabschnitte in ihre Endform das durch Innenhochdruckumformung.
Bekannte Innenhochdruckumformungsprozesse werden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,216,509 31 and 6,183,013 B1 neben der veröffentlichten Internationalen Patentanmeldung Nr. WO 99/20516 identifiziert.
WO 99/20516 offenbart einen durch Innenhochdruck geformten Rahmen und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Einzelne Längsträger werden aus einem geraden rohrförmigen Zuschnitt geformt, der in eine S-Form gebogen und dann durch Innenhochdruck in die richtige Form gebracht wird, wobei die Querschnittsdurchmesser über die Länge des Rahmenprofils variieren. Einzelne Abschnitte werden vor der Formung durch Innenhochdruck stumpf miteinander verschweißt, um so längere Abschnitte zu bilden, die nach der Innenhochdruckumformungsoperation verbunden werden.
Das US-Patent Nr. 6,183,013 B1 offenbart einen durch Innenhochdruck geformten Längsträger für einen Fahrzeugrahmen und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Gemäß diesem Patent haben die Längsträger für den Fahrzeugrahmen variierende Wandstärken und Querschnittsflächen über die Länge der Elemente. Einzelne Abschnitte des Trägers werden durch Innenhochdruck geformt und werden nach der Innenhochdruckumformung zu einem Längsträger kombiniert.
Das US-Patent Nr. 6,216,509 B1 offenbart ein durch Innenhochdruck geformtes Rohrelement und ein Verfahren zur Innenhochdruckumformung von Rohrelementen. Wie in diesem Patent gelehrt, werden Rohrelemente zu Endprodukten geformt, die verschiedenen Umfang, Durchmesser und Stärken haben, indem die Größe der Rohlinge variiert wird, in die das Rohr durch Innenhochdruck geformt wird.
US 5,720,092 offenbart ein räumliches Fahrzeugrahmenwerk, das Stück für Stück zu einem anfänglichen oder rohen Rahmen aufgebaut wird, welcher aus zylindrischen Standardmetallrohren besteht, die zu zueinander passenden zylindrischen Stopfen aus hohlen Knotenverbindungen geschweißt werden, die anschließend durch Innenhochdruck geformt werden.
Im allgemeinen wird durch einen Innenhochdruckumformungsprozess eine rohrförmige Einheit zu einer gewünschten Endform durch Einbringen der rohrförmigen Einheit in eine Matrize der gewünschten Endform und Einführen einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in den Innenraum des rohrförmigen Rohlings umgeformt. Die Druckflüssigkeit formt die rohrförmige Einheit so um, dass sie in die Matrize passt, um so die Endform zu erreichen.
Es ist leicht aus dem Obigen zu erkennen, dass es für die Innenhochdruckumformungsoperation wichtig ist, dass die Verbindungen zwischen den Rohrteilen sicher und auslaufbeständig und vorzugsweise auslaufdicht sind. Diese Verbindungen müssen in der Lage sein, den extremen Beanspruchungen zu widerstehen, die während des Innenhochdruckumformungsprozesses angewendet werden, und doch ihre konstruktive Festigkeit in der endgültigen Form zu behalten. Dies gilt besonders bei Automobilanwendungen, wobei das durch Innenhochdruck geformte Teil normalerweise als konstruktives Rahmenelement verwendet wird.
Zur Zeit werden die durch Innenhochdruck geformten Teile im allgemeinen miteinander verschweißt, z. B. durch Rollennahtschweißung, bevor sie dem Innenhochdruckumformungsprozess unterworfen werden. Es muss große Sorgfalt darauf verwendet werden sicherzustellen, dass die Schweißstelle eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den Innenhochdruckumformungsbelastungen zu widerstehen.
In Hinblick auf das oben Gesagte wäre es vorteilhaft, einen Innenhochdruckumformungsprozess für Teile zu entwickeln, die zuverlässig, ökonomisch miteinander zu verbinden sind, wobei die Bindung von ausreichender Festigkeit ist, um dem Innenhochdruckumformungsprozess zu widerstehen, im wesentlichen ohne Leck-verluste, und dann eine ausreichende Bindungsfestigkeit nach dem Innenhochdruckumformungsprozess zu behalten, um als konstruktives Element zum Beispiel in einer Automobilanwendung und anderen solchen Anwendungen verwendet zu werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Innenhochdruckumformung eines Rohrabschnitts nach Anspruch 1 bereit. Die Klebebindung zwischen den Rohren sorgt für eine im wesentlichen lecksichere Verbindung während des Innenhochdruckumformungsprozesses und hält eine ausreichende Bindungsfestigkeit aufrecht, die für ein konstruktives Element nach dem Innenhochdruckumformungsprozess genutzt wird, d. h. nachdem das konstruktive Element in seine Endform gebracht wurde.
In einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Verbundrahmenstruktur oder eines Vogelkäfigs für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 5 bereitgestellt, wobei die Rahmenstruktur mehrere einzelne Rohre umfasst, die an mehreren Verbindungsstellen verbunden sind, welche die Enden der einzelnen Rohre überlappen. Die Verbindungsstellen werden durch einen Klebstoff in einem Ringraum zwischen den überlappenden Abschnitten verbunden, dann gehärtet, anschließend wird die gesamte Struktur durch Innenhochdruck in die gewünschte Form gebracht.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen durch Innenhochdruck formbaren Artikel nach Anspruch 6 bereit.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben und aus den Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 illustriert eine Schnittansicht einer geklebten Rohreinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 illustriert eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Einheit, die in 1 gezeigt wird.
3 illustriert eine Schnittansicht einer geklebten Rohreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 illustriert eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Einheit, die in 3 gezeigt wird.
5 illustriert eine Schnittansicht einer geklebten Rohreinheit gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 illustriert eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Einheit, die in 5 gezeigt wird.
7 illustriert eine Vogelkäfigrahmenstuktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 illustriert schematisch eine Maschine zum Einspritzen von Klebstoff in die Verbindungen einer durch Innenhochdruck verformbaren Rahmenstruktur.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen illustriert 1 eine Rohreinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Rohrelement 10 umfasst ein Innenrohrelement 12 und ein Außenrohrelement 14. Das Innenrohrelement 12 überlappt das Außenrohrelement 14 auf einem Teil der Länge der Rohrelemente. Die Länge der Überlappung beträgt normalerweise 25–50 mm, obwohl die Erfindung klar auch für kleinere und größere Überlappungen gilt. Die Rohre haben im allgemeinen im wesentlichen gleichmäßige Querschnitte, und ein Endabschnitt des Innenrohrs 12 kann auf die geforderten Abmessungen so ausgedehnt werden, dass er das Außenrohr überlappt. Das Verbinden der Rohrabschnitte, wie oben beschrieben, ermöglicht die Verbindung zum Beispiel von gewinkelten Stücken oder T-Zwischenstücken mit den Rohrabschnitten 12, 14.
In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, hat der Innenrohrabschnitt 12 eine Vertiefung oder Kelchung 16, und der Außenrohrabschnitt 14 hat eine Vertiefung oder Rinne 18, die im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind, wenn die Rohre korrekt ausgerichtet sind.
Die Vertiefungen 16, 18 werden miteinander kombiniert, um den Ringraum oder den Ringbereich 20 zu bilden. Der Ringraum 20 erstreckt sich über die ganze Peripherie der Außen- 14 und Innenrohrelemente 12, außerhalb des Außen- 14 und innerhalb des Innenrohrs 12. Daher ist der Ringbereich 20 ein im wesentlichen ringförmiger Bereich und wird im wesentlichen von den Rohren 12, 14 eingeschlossen.
In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Rohre 12, 14 vorzugsweise Metallrohre, noch besser Rohre aus verzinktem Stahl oder Aluminium. Andere Materialien, die sich für das ge wünschte Endprodukt eignen und dem Innenhochdruckumformungsprozess widerstehen können, sind ebenfalls zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung annehmbar.
Die jeweiligen Rillen oder Vertiefungen 16, 18 können durch einen Prozess, der im Fachgebiet bekannt ist, in die Rohre gebracht werden. Es werden normalerweise normale gerade Rohrstücke für die Rohre verwendet, und die Vertiefungen werden später vor der Montage in die geraden Rohre eingearbeitet, zum Beispiel durch einen Endformstahl.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Rohrmaterial, das einen Innendurchmesser von etwa 6,35 cm (2,5 Zoll) hat, mit einer Wanddicke von etwa 0,13 cm (0,050 Zoll), verwendet werden. Andere Rohrdicken sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung je nach den gewünschten Eigenschaften des endgültigen geformten Produktes geeignet.
Um die Rohrabschnitte miteinander zu verkleben, nutzt die vorliegende Erfindung einen Klebstoff, der in den Ringbereich 20 gebracht wird. Zum Einführen dieses Klebstoffs kann ein Klebstoffeinlassloch 22 in einem der Rohre vorgesehen werden, um das Einspritzen von Klebstoff in den Ringbereich 20 zu ermöglichen. Für einen leichteren Zugang wird es bevorzugt, dass das Einspritzloch in das Innenrohrelement 12 gebracht wird, wie in 2 gezeigt. Das Einlassloch 22 ist normalerweise in der Größenordnung von etwa 2,5 mm Durchmesser, obwohl die Erfindung auch auf kleinere und größere Einlasslöcher zutrifft.
Wenn Klebstoff durch das Einlassloch 22 in den Ringbereich 20 gebracht wird, wird Umgebungsluft aus dem Ringbereich 20 verdrängt. Daher wird vorzugsweise ein Austrittsloch 24 vorgesehen, das mit dem Ringbereich 20 in Verbindung steht. Wieder ist es möglich, dass das Austrittsloch 24 entweder im Außenrohr 14 oder im Innenrohr 12 angeordnet wird, es ist aber vorzuziehen, dass das Austrittsloch 24 im Innenrohr 12 angeordnet wird, wie in 1 gezeigt. Das Austrittsloch 24 befindet sich vorzugsweise etwa 180 Grad vom Eintrittsloch 22 und ist auch vorzugsweise kleiner als das Einlassloch 22. Das Austrittsloch kann vorzugsweise etwa 0,5 mm im Durchmesser sein. Ein Vorteil der Anordnung des Austrittslochs 24 im wesentlichen gegenüber dem Eintrittsloch 22 ist, dass es eine visuelle Anzeige ermöglicht, wann der Klebstoff den Ringraum 20 gefüllt hat. Das Erscheinen des Klebstoffs, der durch das Austrittsloch austritt, ist ein Anzeichen dafür, dass der Ringraum im wesentlichen mit Klebstoff gefüllt ist.
Die 3 und 4 illustrieren eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält das Außenrohr 14 eine Vertiefung 18, ohne entsprechende Vertiefung im Innenrohr 12. Daher resultiert der Ringraum 20 aus der Vertiefung 18 im Außenrohr 14. Wie bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, umfasst diese Ausführungsform vorzugsweise ein Einlassloch 22 im Innenrohr und ein Austrittsloch 24, ebenfalls vorzugsweise im Innenrohr.
Wenn die Außen- und Innenrohrenden der Rohre so geformt sind, dass sie sich überlappen, sollte der Innendurchmesser des Innenrohrs 12 etwas größer als der Außendurchmesser des Außenrohrs 14 sein, so dass das Innenrohr 12 über das Außenrohr 14 gleiten kann. Obwohl dieser Spielraum groß genug sein sollte, um die Montage der Rohrstruktur zu ermöglichen, sollte er auch minimiert werden, so dass Leck-verluste vermieden werden können. Ein akzeptabler Spielraum beträgt normalerweise etwa 0,15–0,25 mm und beträgt vorzugsweise etwa 0,13 mm (0,005 Zoll).
Bei der Bildung der Rillen im Außen- 14 und/oder Innen rohr 12 gilt die Hauptüberlegung bei der Auswahl der Rillenabmessungen der Leistungsfähigkeit des Klebstoffs. Von der Rillentiefe wird nur gefordert, dass sie tief genug ist, um das Fließen des Klebstoffs zu ermöglichen. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Beanspruchungen/Verformungen an den Oberflächen der Rohre konzentriert sind. Daher beeinträchtigt die Tiefe der Rille im wesentlichen nicht die Fähigkeit der Rohre, den angewendeten Beanspruchungen und Verformungen zu widerstehen. Daher ist dies kein Hauptgesichtspunkt bei der Wahl der Rillentiefe. Die Vertiefungen haben normalerweise eine Tiefe von etwa 0,5–1 mm und eine Breite von etwa 5–15 mm. Außerdem besteht ein Abstand von vorzugsweise etwa 12–15 mm von der Mitte der Rille bis zum Ende des Rohrabschnitts. Ein sehr wichtiger Gesichtspunkt für die Rillentiefe ist das Verhältnis der Rillentiefe zum Montagespielraum, wobei der Montagespielraum als Spielraum zwischen dem Außen- und dem Innenrohr definiert ist. Berechnungen, die auf der Schlitzformströmungstheorie bei der Extrusion beruhen, weisen darauf hin, dass eine Rillentiefe ausreichend groß sein muss, um den Umgehungsleckverlust von Klebstoff aus den Rohrenden zu verhüten. Hier kann das Verhältnis von Rillentiefe zum Montagespielraum ein nützlicher Parameter sein. Man glaubt, dass eine Rillentiefe von etwa 1,02 mm (0,040'') – die ein Verhältnis von etwa 8 ergibt – ausreichend tief ist, um Leck-verluste zu verhüten.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass es durch sorgfältige Wahl des Verhältnisses des oben diskutierten Spielraums zwischen den Rohren und der Tiefe der Rille möglich ist, den Klebstoff durch das Einlassloch 22 in den Ringbereich 20 einzuspritzen und ihn ungefähr gleich aufzuteilen, wobei er in ungefähr gleichen Raten in beiden Richtungen durch den Ringbereich 20 fließt. Dies ist insofern wesentlich, dass es hilft, eine gleichförmige Füllung des gesamten Ringbereichs 20 sicherzustellen, was bei der Sicherung einer ausreichenden Streckgrenze und Leckbeständigkeit der Verbindung hilft. Das bevorzugte Verhältnis hängt von dem speziellen Klebstoff ab, der verwendet wird, liegt aber normalerweise irgendwo in der Größenordnung von etwa 8. Die Rillentiefe kann in dieser Hinsicht ebenfalls wichtig sein.
Der Klebstoff, der für die vorliegende Erfindung verwendet wird, sorgt für eine zuverlässige Klebung zwischen den Verbindungselementen, die nach Härtung in der Lage ist, den Innenhochdruckumformungsspannungen zu widerstehen und im wesentlichen Leck-verluste durch die verklebten Verbindungselemente zu verhüten. Während der Innenhochdruckumformung werden die Verbindung und notwendigerweise der Klebstoff in eine Endform umgeformt. Nach der Innenhochdruckumformung kann die Klebstoffbindung immer noch für eine zuverlässige Klebung sorgen, um den beträchtlichen Spannungen zu widerstehen. Dies ist dort besonders wichtig, wo die verklebten Teile einen Teil des Strukturrahmens eines Kraftfahrzeugs bilden. Zusätzliche Erwärmungsschritte können bei der Bildung des Fahrzeugs ebenfalls notwendig sein, dessen Klebungen auch in der Lage sein sollten, standzuhalten und dabei ihre Eigenschaften beizubehalten. Auf Grund der Tatsache, dass sie für Konstruktionselemente verwendet werden sollen, sollten die Klebungen auch eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit und Umweltbeständigkeit über die Zeit haben, um eine zuverlässige konstruktive Stütze zu bilden.
Normalerweise werden Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoffe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wegen der inhärenten Reaktivität empfohlen, die zum Härten benötigt wird. Diese Härtung entsteht durch die Wärme, die durch Erwärmung der Metalloberfläche in Kontakt mit dem Klebstoff geleitet wird, zum Beispiel durch Induktionsheizung. Obwohl diese Erfindung nicht die Verwendung von Epoxidklebstoffen erfordert, sind die physischen Gesamteigenschaften von Epoxidkleb stoffen für die Verwendung in der Erfindung gut geeignet. Wichtige physikalische Charakteristika, die zu berücksichtigen sind, wenn man einen Klebstoff für diese Anwendung auswählt, sind die Rheologie und die Fließeigenschaften des ungehärteten Klebstoffs in Bezug auf die Temperatur und die Schergeschwindigkeit des Klebstoffs. Man glaubt, dass die Scherzerreißfestigkeit des gehärteten Klebstoffs beim oder über dem Innenhochdruckumformungsdruck liegen sollte. Die Reaktivität des Klebstoffs ist wichtig, um die Zykluszeitanforderungen zu erfüllen und zu ermöglichen, dass der Klebstoff innerhalb der zulässigen Zykluszeit auf das notwendige Festigkeitsniveau gehärtet wird. Und schließlich sind die mechanischen Volumenklebeeigenschaften nach dem Härten für die erfolgreiche Innenhochdruckumformung und die anschließende Leistungsfähigkeit wichtig. Es wird bevorzugt, dass der ausgewählte Klebstoff eine Dehnung von mindestens etwa 10 im Vergleich zu einer bevorzugten Dehnung von mindestens etwa 25 durch das Metallrohr aufweist. Man glaubt, dass der Klebstoff eine Scherfließspannung haben sollte, die mindestens gleich dem erwarteten Innenhochdruckumformungsdruck ist. Bei einem erwarteten minimalen Innenhochdruckumformungsdruck von etwa 3,5 × 10⁷ N/m² (5000 psi) hätte also ein bevorzugter Klebstoff eine Scherfließspannung von mindestens etwa 3,5 × 10⁷ N/m² (5000 psi).
Ein bevorzugter Klebstoff zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist ein hochfester Epoxidklebstoff, der von der Minnesota Mining and Manufacturing Company entwickelt wurde, der der Erfindungsgegenstand der US-Patentanmeldung Nr. US 09/170597 vom 13. Oktober 1998 und der veröffentlichten Internationalen Patentanmeldung Nr. WO/0022024 A2 ist. Dieser Klebstoff hat ausgezeichnete physikalische Eigenschaften zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Es ist festgestellt worden, dass dieser Klebstoff reißfest ist, selbst nach dem Aushärten und wenn er anschließend von einem ovalen oder kreisförmigen Querschnitt in einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt durch Innenhochdruck umgeformt wird. Die Beständigkeit gegen Reißen ist selbst an den Spannungspunkten der Ecken des neu gebildeten rechteckigen Querschnitts offensichtlich.
Bei Verwendung dieses Klebstoffs ist festgestellt worden, dass ein Ringbereich, der eine Tiefe von etwa 1,02 mm (0.040 Zoll) und eine Breite von etwa 9,5 mm (3/8 Zoll) hat, besonders vorzuziehen ist. Es wurde festgestellt, dass ein Verhältnis von etwa 7,3 zwischen der Rillentiefe (etwa 1,02 mm (0,040 Zoll) in diesem Fall) und dem Spielraum (etwa 0,14 mm (0,0055 Zoll) in diesem Fall) besonders vorteilhaft ist, wenn man mit diesem Klebstoff arbeitet. Diese Abmessungen ergeben eine Klebung, die akzeptable Eigenschaften hat, und die zu dem vorher diskutierten im wesentlichen gleichen Fluss von Klebstoff in beiden Richtungen durch den Ringraum 20 führen. Wieder ist das Verhältnis von Montagespielraum zur Rinnentiefe zum Reduzieren oder Verhüten von Leck-verlusten wichtig. Der Klebstoff kann zum Beispiel durch eine statische Mischanlage gemischt und eingeführt werden, und die Einführung von Klebstoff sollte vorzugsweise fortgesetzt werden, bis der Ringraum 20 gefüllt ist. Es wurde bei diesem Klebstoff festgestellt, dass eine flachere Rillentiefe von etwa 5,1 mm (0,20 Zoll) zu übermäßigen Leck-verlusten aus den Rohrenden führt, was daher weniger wünschenswert ist.
Das bevorzugte Rohrmaterial für diese Erfindung umfasst Metallrohre, vorzugsweise hoch duktile, geschmiedete Metallrohre, und am besten Aluminium-, Aluminiumlegierung-, Eisen- oder Stahlschmiederohre. Das spezielle Rohrmaterial, das gewählt wird, hängt großenteils von dem speziellen Innenhochdruckumformungsdruck ab, der verwendet werden soll. Spezielle bevorzugte Metallrohre können Stahlrohre der Serien 1008–1010 umfassen, die eine Streckgrenze von etwa 2,1 × 10⁸ N/m²– 3,5 × 10⁸ N/m² (30–50 ksi (Tausend Pfund pro Quadrat zoll)) bei etwa 30 Gesamtdehnung haben. Außerdem ist auch Stahlrohr mit hoher Streckgrenze von 3,5 × 10⁸ N/m² (50 + ksi) für bestimmte Innenhochdruckumformungsprozesse geeignet. Aluminium- und Aluminiumlegierungen können ebenfalls für die Innenhochdruckumformung von Materialien geeignet sein, und das bevorzugte Aluminiumrohr kann Aluminiumrohr der Serie 5000, Serie 6061 T6 und Serie 6061 T4 umfassen. Obwohl die obigen Materialien als vorzuziehen angesehen werden können, soll die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise derartig eingeschränkt werden. Andere Metallrohre können ebenfalls in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
Die Ausführungsform der Erfindung, die in den 3 und 4 dargestellt ist (d. h. eine Ausführungsform mit einer Rille im Außenrohr-abschnitt und keiner Rille im Innenrohrabschnitt), wird insofern besonders bevorzugt, dass sie eine ausreichende konstruktive Festigkeit ergibt und dabei gleichzeitig die Herstellungskosten minimiert.
Die 5 und 6 illustrieren eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jedes der Außen- 14 und Innenrohre 12 eine Vertiefung (18 bzw. 16) enthält, aber diese Vertiefungen so angeordnet sind, dass sie gegeneinander versetzt sind. Daher bildet jede Vertiefung (18, 16) einen Ringbereich 20, 21. In diesem Fall hat jeder der Ringbereiche 20 ein individuelles Klebstoffeinlassloch 22 und Austrittsloch 24, so dass jeder der Ringbereiche 20 gefüllt werden kann. Es versteht sich, dass in Hinsicht auf die vorliegende Erfindung die Außen- und Innenrohre jeweils eine oder mehrere Vertiefungen aufweisen können, um einen oder mehrere Ringbereiche zu bilden. Diese Vertiefungen können zu Vertiefungen in dem gegenüberliegenden Rohr ausgerichtet werden oder können alternativ nicht zu einer gegenüberliegenden Vertiefung ausgerichtet sein, und daher zusätzliche Ringbereiche bilden. Alternativ kann einem der Rohre jede Vertiefung fehlen, wenn das andere Rohr mindestens eine Vertiefung aufweist (wie in den 3 und 4 dargestellt).
7 illustriert eine Vogelkäfigeinheit 40 zur Verwendung bei der Konstruktion eines Kraftfahrzeugrahmens. Zahlreiche Konstruktionselemente 42 werden an den Verbindungsstellen miteinander verbunden, um den Vogelkäfig 40 zu bilden. Jede der Verbindungsstellen 44 wird vorzugsweise durch einen Klebstoff verbunden, wie oben beschrieben. Die Vogelkäfigeinheit kann dazu verwendet werden, entweder einen Teil oder einen ganzen Rahmen des Kraftfahrzeugs zu bilden.
Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, ist eine Reihe von konstruktiven Konfigurationen für die durch Innenhochdruck geformten Teile möglich. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass Rohrkonfigurationen, die keine 180 Grad (gerade Linie) haben, möglich sind und, wie in dieser Figur gezeigt, für die gewünschte endgültige Struktur notwendig sein können. Um diese Nicht-180-Grad-Winkelkonfiguration zu bilden, kann der Innenrohrabschnitt einen Restabschnitt außerhalb der Verbindung umfassen, und der Außenrohr-abschnitt kann einen Restabschnitt außerhalb der Verbindung umfassen. Der restliche Abschnitt des Außenrohr-abschnitts kann unter einem Winkel von mehr oder weniger als 180 Grad gegenüber dem restlichen Abschnitt des Innenrohrabschnitts angeordnet werden, wodurch ein nichtlineares Segment gebildet wird. Wie daraus zu ersehen ist, kann der Rest des Innen- und Außenrohrabschnitts eine Reihe von Formen bilden, wie zum Beispiel L-Form, T-Form, S-Form oder eine Kreuzform.
8 illustriert schematisch eine Maschine 46, die Klebstoff in die Verbindungsstellen 44 (und daher in die Ringbereiche, nicht dargestellt) der Vogelkäfigeinheit 40 einspritzt. Der Klebstoff wird von einem Roboterarm 48 eingespritzt. Die Verwendung dieser Maschine kann den Prozess des Einspritzens von Klebstoff automatisieren und so die Zeit und Kosten der Bildung der durch Innenhochdruck verformbaren Einheit stark reduzieren. Dadurch können die Gesamtkosten der Herstellung des Fahrzeugrahmens stark reduziert werden.
In Übereinstimmung mit einem Verfahren der vorliegenden Erfindung können Rahmenelemente so geformt werden, dass sie ein Außenende und ein Innenende umfassen, die die entsprechenden Durchmesser für die gewünschte Überlappung haben. Eine oder mehrere Rillen werden entweder in einem oder in beiden von diesen Elementen, vorzugsweise durch einen Endformstahl, in den Bereichen der Überlappung gebildet. Die Rohre werden dann vorzugsweise mit einem Tuch, das mit Entfettungslösung oder Lösungsmittel getränkt ist, behandelt und werden dann zusammen in die endgültige gewünschte Überlappungsposition gebracht. Klebstoffeinlass- und Luftablasslöcher können in den Rohren entweder vor oder nach dem Verbinden der Rahmenelemente gebildet werden.
Sobald die Rahmenelemente richtig ausgerichtet sind, wird ein Klebstoff in den Ringbereich eingeführt, vorzugsweise durch Einspritzen durch das Klebstoffeinlassloch. Das Einspritzen von Klebstoff wird fortgesetzt, bis der Klebstoff im wesentlichen den ganzen Ringbereich füllt. Dies kann entweder durch automatische Messung der Einspritzrate und der Einspritzzeit und Vergleichen mit dem Volumen des Ringbereichs gemessen werden, der gefüllt werden soll, und/oder durch visuelle Kontrolle des Auslasslochs, um zu sehen, wann der Klebstoff den Ringbereich gefüllt hat.
Nach dem Einspritzen des Klebstoffs kann der Klebstoff gehärtet werden. Die vereinigte Struktur wird dann normalerweise eine Zeitlang bei Umgebungstemperatur gehalten, zum Beispiel etwa 24 Stunden, und dann dem Härten unterzogen. Das Härten tritt normalerweise bei der Erwärmung auf, zum Beispiel in einem Umluftofen oder durch Induktionsheizung. Der gehärtete Klebstoff sollte in der Lage sein, dem hohen Druck und den sich daraus ergebenden Belastungen des Innenhochdruckumformungsprozesses zu widerstehen.
Nach dem Härten des Klebstoffs kann die Struktur in eine Innenhochdruckmatrize gebracht und unter Druck bis zum geforderten Innenhochdruckumformungsdruck gesetzt werden, der mehr als 4,8 × 10⁷ N/m² (7000 psi) betragen kann. Dieser Innenhochdruckumformungsschritt formt die Rohrabschnitte in ihre endgültige gewünschte Form um, die der Form der Matrize entspricht und die normalerweise einen rechteckigen Querschnitt besitzt.
Bekannte Systeme zum Formen eines Fahrzeugrahmens durch Innenhochdruckumformung beruhen auf der Innenhochdruckumformung einzelner Teile, die dann zur gesamten Einheit verschweißt werden. Daher tritt die Innenhochdruckumformung nicht nach dem Schweißen auf. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung kann ein beträchtlicher Anteil des Fahrzeugrahmens gleichzeitig durch Innenhochdruck geformt werden, wobei weniger Schweißungen nach dem Umformen erforderlich sind. Der ganze Rahmen oder Vogelkäfig für das Kraftfahrzeug wird gleichzeitig in einer einzigen Innenhochdruckumformungsoperation geformt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die einzelnen Komponenten mit Außen- und Innenenden konstruiert werden, um so wie oben beschrieben zusammengesetzt zu werden, um so einen beträchtlichen Teil eines Fahrzeugrahmens (zum Beispiel eine Kühlerstützstruktur) zu bilden oder um einen vollständigen Rahmen (Vogelkäfig) zu bilden. Dann kann Klebstoff in die verschiedenen sich ergebenden Ringräume eingespritzt werden, und die ganze Baugruppe kann zum Härten des Klebstoffs erwärmt werden. Durch diesen Prozess kann also die Zahl der benötigten Schweißungen stark reduziert werden, was die Herstellungskosten des Fahrzeugs senkt. Und schließlich kann nach dem Härten die gesamte Struktur in eine Innenhochdruckumformungsmatrize gebracht werden, um in einem einzigen Schritt durch Innenhochdruck in die endgültige bevorzugte Geometrie umgeformt zu werden. In diesem Fall muss jede Verbindung nicht nur für die benötigte konstruktive Intaktheit sorgen, sondern muss auch dem Innenhochdruck widerstehen. Leck-verluste durch einen Defekt in einer Verbindung könnten den notwendigen Druckaufbau verhindern und können die gesamte Formung der endgültigen Struktur verhindern.
BEISPIELE
Beispiel 1
Ein Innenrohr mit einem Außendurchmesser von 63,5 mm (2,5'') und einer Wandstärke von 1 mm wurde auf 65,5 mm bei einer Ausdehnungslänge von 30 mm vom Ende des Rohres ausgedehnt. Eine Rille wurde auf der Innenseite des Rohres 1,0 mm tief mal 10 mm breit gebildet, wobei die Mittellinie der Rille einen Abstand von etwa 12 mm vom offenen Ende hatte. Ein entsprechendes Außenrohr hatte eine Rille von denselben Abmessungen, die in dem nicht ausgedehnten Einführungsende gebildet war. Eintritts- und Austrittslöcher wurden in das Außen- und Innenrohr gebohrt. Das Außenrohr wurde in das Innenrohr so eingeführt, dass die Rillen ausgerichtet waren. Vor dem Zufügen des Klebstoffs wurden die Rohre durch Eintauchen in eine Oakite 164-Ätzlösung bei 71°C (160°C) über 10 Minuten entfettet. Eine 10:1-Mischung eines Zweikomponenten-Konstruktionsklebstoffes, SA 8051, der von der Minnesota Mining and Manufacturing Corporation erhältlich ist, wurde durch eine 8–24 statische Mischdüse gemischt und durch die Einspritzlöcher in beide Hohlräume eingespritzt. Die sich ergebende Baugruppe wurde 24 Stunden bei Umgebungsbedingungen gehalten und dann 30 Minuten in einen Umluftofen bei 171°C gebracht. Die gehärtete Baugruppe wurde dann durch Innenhochdruck erfolgreich bei 3,5 × 10⁷ N/m² (5000 psi) von einer im wesentlichen ovalen Form in eine im wesentlichen rechteckige Form umgeformt. Nach der Innenhochdruckumformung war die Verbindung leckfrei.
Beispiel 2
Ein Ende eines Innenrohrs (mit Abmessungen, die etwa dieselben wie die in Beispiel 1 sind) wurde zum Aufnehmen eines Außenrohrs erweitert. Im Innenrohr wurden Einlass- und Austrittslöcher vorgesehen. Eine Rille von 0,50 mm × 10,0 mm wurde in einem Außenrohr bereitgestellt, das in das Innenrohr eingeführt wurde. Andere Abmessungen des Außenrohrs waren im wesentlichen dieselben wie die in Beispiel 1 beschriebenen. Reinigung, Klebstoffeinspritzung, Härten und Innenhochdruckumformung wurden ausgeführt, wie in Beispiel 1 beschrieben. Nach der Innenhochdruckumformung war die Verbindung lecksicher.
Beispiel 3
Ähnlich wie in Beispiel 1 oben, wurden Rillen in Außenrohr und Innenrohr-gebildet. Bei der Montage wurden die Rillen um 10,0 mm versetzt. Im Innenrohr wurden Einlass- und Austrittslöcher bereitgestellt, die jeder Rille entsprachen. Reinigung, Klebstoffeinspritzung, Härten und Innenhochdruckumformung wurden ausgeführt, wie in Beispiel 1 diskutiert. Bei der Innenhochdruckumformung war die Verbindung lecksicher.
Beispiel 4
In Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können robotermontierte Rahmen von bis zu 20 Verbindungsstellen Klebstoff eingespritzt erhalten und dann Induktionsheizzyklen über zweischalige Heizspulen unterzogen werden. In dieser Ausführungsform können Heizzyklen von dreißig Sekunden ausreichen, um den Klebstoff vollständig auszuhärten. Die ganze Einheit kann dann erfolgreich in die gewünschte endgültige Konfiguration durch Innenhochdruck umgeformt werden. Aus diesem Beispiel ist zu ersehen, dass die benötigten Arbeitskräfte und die zugehörigen Ausgaben zum Formen der Rahmenstruktur durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung beträchtlich reduziert werden können.
Aus der obigen Offenbarung und den allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung und der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung werden Fachleute ohne weiteres die verschiedenen Modifikationen erkennen, die für die vorliegende Erfindung möglich sind. Daher darf der Geltungsbereich der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt werden.

Claims

Verfahren zur Innenhochdruckumformung eines Rohrabschnitts, das einen Außenrohrabschnitt (14) aufweist, der einen Endabschnitt hat, welcher in einem Endabschnitt eines Innenrohrabschnitts (12) aufgenommen ist und sich mit demselben überlappt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klebstoff, der in einem Ringraum (20) angeordnet ist, welcher zwischen dem Außen- und dem Innenrohrabschnitt definiert ist, gehärtet wird und der sich ergebende Rohrabschnitt zu einer gewünschten Form durch Innenhochdruck umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff einen Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es mehrere Ringräume (20) zwischen dem Außen- und dem Innenrohrabschnitt gibt, wobei jeder Ringraum ein Einlassloch (22) aufweist und das Verfahren ferner das Einbringen des Klebstoffs durch jedes Einlassloch (22) in jeden der Ringräume (20) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Endabschnitte eine Ringnut aufweist, die einen Ringraum zwischen dem Außen- und dem Innenrohrabschnitt bildet, und ein Einlass in einem der Endabschnitte in Verbindung mit dem Ringraum zur Injektion eines Klebstoffs in den Raum gebildet ist.
Verfahren zum Bilden einer Verbundrahmenstruktur, umfassend: Anordnen mehrerer Metallrahmenkomponenten zu einer Vogelkäfigstruktur (40), um so mehrere Verbindungen (44) zu definieren, die durch überlappende Abschnitte von angrenzenden Komponenten definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Verbindungen (44) einen Ringraum aufweist, der zwischen den sich überlappenden Abschnitten der angrenzenden Komponenten gebildet ist, wobei ein Klebstoff in jeden der Ringräume (20) injiziert wird; der Klebstoff gehärtet wird; und die sich ergebende Vogelkäfigstruktur (40) durch Innenhochdruck in eine gewünschte Form gebracht wird.
Durch Innenhochdruck formbarer Artikel, aufweisend: einen Innenrohrabschnitt (12) und einen Außenrohrabschnitt (14), wobei ein Abschnitt des Innenrohrabschnitts (12) um einen Abschnitt des Außenrohrabschnitts (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut in dem Außenrohrabschnitt (14) und/oder dem Innenrohrabschnitt (12) angeordnet ist, um einen ringförmigen Bereich (20) zwischen dem Außenrohrabschnitt (14) und dem Innenrohrabschnitt (12) zu bilden, ein gehärteter Klebstoff in dem ringförmigen Bereich (20) zwischen dem Außenrohrabschnitt (14) und dem Innenrohrabschnitt (12) angeordnet ist, um so eine geklebte Verbindung (44) zu bilden, wobei die geklebte Verbindung (44) einem Innenhochdruckumformungsprozess im Wesentlichen ohne Leckverluste widerstehen und eine ausreichende Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Haltbarkeit aufrechterhalten kann, um als Konstruktionselement eingesetzt zu werden, nachdem der Artikel seine endgültige Form angenommen hat.
Durch Innenhochdruck formbarer Artikel nach Anspruch 6, wobei der Innenrohrabschnitt (12) und der Außenrohrabschnitt (14) durch Innenhochdruckumformung dauerhaft verformt sind.
Durch Innenhochdruck formbarer Artikel nach Anspruch 7, wobei der gehärtete Klebstoff sowie der Innenrohrabschnitt (12) und der Außenrohrabschnitt (14) durch Innenhochdruckumformung dauerhaft verformt sind.
Durch Innenhochdruck formbarer Artikel nach Anspruch 7 oder 8, wobei der gehärtete Klebstoff so im ringförmigen Bereich (20) angeordnet ist, dass der Außenrohrabschnitt (14) und der Innenrohrabschnitt (12) miteinander verbunden werden und ein wesentlicher Leckverlust während der Innenhochdruckumformung verhütet wird.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Innenrohrabschnitt (12) einen Restabschnitt außerhalb der Verbindung (44) aufweist, der Außenrohrabschnitt (14) einen Restabschnitt außerhalb der Verbindung (44) aufweist und der Restabschnitt des Außenrohrabschnitts (14) unter einem Winkel von mehr oder weniger als 180 Grad zum Restabschnitt des Innenrohrabschnitts (12) angeordnet ist.
Artikel nach Anspruch 10, wobei der Rest des Innenrohrabschnitts (12) und der Rest des Außenrohrabschnitts (14) eine L-Form, T-Form, S-Form oder Kreuzform bilden.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Nut im Außenrohrabschnitt (14) gebildet ist und der Innenrohrabschnitt (12) keine Nut enthält.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Nut im Innenrohrabschnitt (12) gebildet ist, eine weitere Nut im Außenrohrabschnitt (14) gebildet ist und die zwei Nuten so angeordnet sind, dass sie gegeneinander versetzt sind.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Nut im Außenrohrabschnitt (14) gebildet ist und eine weitere Nut im Innenrohrabschnitt (12) gebildet ist, so dass die zwei Nuten zusammen den ringförmigen Bereich (20) bilden.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Nut eine Nuttiefe hat, der Außenrohrabschnitt (14) und der Innenrohrabschnitt (12) ein Montagespiel haben und das Verhältnis von Nuttiefe zum Montagespiel ausreicht, um Umgehungsleckverluste des Klebstoffs aus der Verbindung (44) zu verhüten, wenn der Klebstoff in einem ungehärteten Zustand im ringförmigen Bereich (20) angeordnet ist.
Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei der Klebstoff eine Scherfließgrenze aufweist, die mindestens gleich dem Innenhochdruckumformdruck des Innenhochdruckumformungsprozesses ist.
Strukturrahmenelement, das den Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 16 aufweist.
Strukturrahmenelement eines Fahrzeugrahmens, das den Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 16 aufweist.
Zusammengesetzte Vogelkäfigrahmenstruktur, die mehrere Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 16 aufweist.
Kraftfahrzeug, das den Artikel nach einem der Ansprüche 6 bis 16 aufweist