DE69915744T2

DE69915744T2 - Verfahren zur Herstellung rohrförmiger Bauteile

Info

Publication number: DE69915744T2
Application number: DE69915744T
Authority: DE
Inventors: Alexander Mark Hadley Duff; Simon Jonathan G. Hadley Griffiths; Peter Bridgnorth Humphries
Original assignee: GKN Autostructures Ltd
Current assignee: Autostructures UK Ltd
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: EP0982087A2; GB9817112D0; US20020005058A1; US6651477B2; EP0982087A3; DE69915744D1; EP0982087B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung rohrförmiger Bauteile entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei der Massenherstellung rohrförmiger Bauteile, beispielsweise strukturaler rohrförmiger Komponenten, wie sie bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist es wünschenswert, individuelle Komponenten mit reproduzierbar kleinen Toleranzen herzustellen und dabei die Herstellkosten so gering wie möglich zu halten. Dabei ist es notwendig, die einzelne Komponente so herzustellen, dass sie die Arbeitsbelastungen aufnehmen kann und so in der Lage ist, die Funktion des gewünschten strukturellen Trägers zu erfüllen. Es ist deshalb wichtig, dass das Herstellverfahren keine unerwünschten Schwachstellen an dem fertig hergestellten rohrförmigen Bauteil erzeugt.
Ein strukturelles rohrförmiges Bauteil, wie es typischerweise am Fahrgestell eines Fahrzeugs eingesetzt wird, weist im Wesentlichen längliche Gestalt auf und besitzt längliche Bereiche, die in der Querschnittsausbildung und/oder -größe variieren.
Einige dieser Bauteile können aus rohrförmigem Ausgangsmaterial mit konstanter Querschnittsgestalt und -größe über ihre Länge hergestellt werden, wobei das Ausgangsrohr einem Umformprozess, wie beispielsweise Hydroformen, unterzogen wird, um die Gestalt und Größe des Ausgangsmaterials an festgelegten Stellen seiner Länge zu verändern.
Der Umformprozess kann verschiedene separate Verformungsstufen umfassen, bevor schließlich das fertige Bauteil entsteht. Jede solche Umformstufe erhöht die Gesamtkosten der Herstellung des Bauteils und verlangsamt den gesamten Herstellprozess. Es ist auch möglich, dass bei jeder Umformstufe Schwachstellen in dem verformten Material entstehen.
Bei der Anwendung des Hydroformens, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, ist der Betrag, um den ein rohrförmiges Bauteil aufgeweitet werden kann, relativ begrenzt. Es ist bekannt, das Ausgangsrohr aus separaten relativ kleinen und langen rohrförmigen Bereichen zu produzieren, die vor dem Umformprozess miteinander verbunden werden, wenn das endgültige Bauteil Längenbereiche relativ großer Differenzen in der Querschnittsgestaltung aufweist.
Die DE 22 01 822 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung von Metallrohren, insbesondere aus Stahl, bei dem jedes Rohrende durch konisch-zylindrische Aufweitung so kaltverformt wird, dass es zu einem entsprechenden anderen Rohrende passt. Die konisch-zylindrische Aufweitung wird mit einem Aufweitdorn herbeigeführt, der einen konischen Bereich mit einer maximalen Konizität von 20° aufweist und in zwei zylindrische Bereiche ausläuft.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen hydraulisch betriebenen Aufweitdorn, hydraulisch abgestützte Befestigungselemente und Steuermittel zum Einstellen des zu behandelnden Rohres und zum Abstimmen der Bewegungen der Befestigungsmittel und des Aufweitdorns auf.
Ein generelles Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein relativ simples Verfahren zum Aufweiten eines Ausgangsrohres bereitzustellen, um ein verformtes rohrförmiges Bauteil zu erzielen, welches integral verbundene längliche Abschnitte mit relativ kleinen und relativ großen Querschnittsdimensionen aufweist, wobei der verformte Rohrabschnitt ein Zwischenergebnis für nachfolgende Verformprozesse darstellt oder bereits ein fertiges rohrförmiges Bauteil bildet.
Nach der vorliegenden Erfindung geht es um ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils mit einem ersten länglichen Abschnitt, der mit einem zweiten länglichen Abschnitt eine integrale Einheit bildet, aus einem länglichen Rohr aus Stahl, wobei der zweite Abschnitt am Ende des Rohres platziert, mit der gewünschten Querschnittsgestalt und Größe ausgebildet und die Querschnittsgröße des zweiten Abschnitts größer als die des ersten Abschnitts bemessen ist, indem ein Aufweitdorn mit einer dem zweiten Abschnitt entsprechenden Querschnittsgestalt und Größe ausgewählt wird und das Ende des Rohres zur Formgebung des zweiten Abschnitts in axialer Richtung relativ über den Aufweitdorn geschoben wird, und das sich dadurch kennzeichnet, dass die Auswahl der Größe des Aufweitdorns, die Schieberate und der Axialdruck auf das Rohr so gesteuert werden, dass die Wanddicke (d₂) des zweiten Abschnitts im Durchschnitt mindestens 70% der durchschnittlichen Wanddicke (d₁) des ersten Abschnittes beträgt, und dass die Steuerung des Aufschiebens des Rohres und die Auswahl der Größe des Aufweitdorns so durchgeführt wird, dass der Materialfluss in dem den zweiten Abschnitt bildenden Rohr in axialer Richtung des Rohres eine neutrale oder negative Spannung und in Umfangsrichtung des Rohres eine neutrale oder positive Spannung hervorruft.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine schematische perspektivische Endansicht eines rohrförmigen Bauteils nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Querschnitt durch das Bauteil in 1 nach der Linie II-II;
3a–3c sind schematische Darstellungen des Verformungsprozesses nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine diagrammartige Verdeutlichung zur Darstellung des Materialflusses während des Verformens;
5 ist eine computergestützte Darstellung eines Bauteils, welches nach dem Verfahren in einer ersten Ausführungsform hergestellt wurde;
6 ist eine Endansicht, ähnlich 2, mit der Darstellung einer modifizierten Umformstufe;
7 ist eine schematische Seitenansicht eines zusammengesetzten rohrförmigen Bauteils nach der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine perspektivische Endansicht des Bauteils der 1 mit Detaildarstellung, und zwar eingebaut an einem Fahrzeug.
In den 1 und 2 ist ein rohrförmiges strukturelles Bauelement 15, hergestellt nach dem Verfahren der vorliegenden Vorrichtung gezeigt, welches in einem zweistufigen Prozess, wie er in den 3a bis 3c dargestellt ist, umgeformt wurde.
Das rohrförmige Bauteil 15 nach dem vorliegenden Verfahren weist einen ersten länglichen Abschnitt 18 auf, der integral mit einem zweiten länglichen Abschnitt 19 verbunden ist. Die Querschnittsabmessungen des zweiten länglichen Abschnitts 19 sind größer als die des ersten länglichen Abschnittes 18.
Wie in 3 dargestellt ist das rohrförmige Bauteil 15 aus einem Ausgangsrohr 20 erstellt, welches vorzugsweise eine konstante Querschnittsgestalt und -größe über seine Länge aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eines der Enden des Rohres 20 einer Folge von Umformschritten (3a, 3b) unterworfen, um den zweiten Abschnitt zu schaffen; der erste Abschnitt 18 weist vorzugsweise eine Länge des Ausgangsrohres auf, welches an den Umformschritten nicht teilnimmt.
Die Umformung im ersten Schritt (3a) umfasst eine kraftmäßige Beaufschlagung des Endabschnittes 21 (mit der Länge l₁) des Ausgangsrohres 20 in axialer Richtung über einen Aufweitdorn 25. Dies wird typischerweise so durchgeführt, dass das Rohr 20 ergriffen und in axialer Richtung über den stillstehenden Aufweitdorn geschoben wird. Es ist verständlich, dass alternativ auch das Rohr festgehalten werden kann, wobei dann der Aufweitdorn axial in das Rohr eingetrieben wird.
Hierdurch wird ein vergrößerter Endbereich 28 mit der Länge l₂ geschaffen. Der Endbereich 28, wie in 2 dargestellt, ist in bekannter Weise so geformt, dass er kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Der aufgeweitete Endbereich 28 wird sodann axial über einen zweiten größeren Aufweitdorn 29 geschoben, um so den gewünschten zweiten länglichen Abschnitt 19 zu erzeugen; damit ergibt sich die axiale Länge zu l₃.
Die Querschnittsgrößen der Aufweitdorne 25, 29 werden so ausgewählt, dass die Fließfähigkeit des Materials beachtet wird, aus dem das Rohr 20 geformt wird.
Diese Größen werden so ausgewählt, dass das Material bei seinem Aufweiten über den Aufweitdorn 25, 29 nicht solchen Formänderungskräften aufgesetzt wird, die über die Fließfestigkeit hinausgehen.
Zusätzlich wird die Axialkraft, die bei jeder Umformstufe das Rohr über den Aufweitdornen 25, 29 belastet, und auch die Schieberate über jeden Aufweitdorn 25, 29 so gewählt, dass während der Materialumformung die Formänderung in axialer Richtung des Rohres (kleine Hauptformänderung in 5) und die Formänderung in Umfangsrichtung des Rohres (große Hauptformänderung in 5) so gesteuert werden, dass die Dicke des Rohres nach dem Umformen im Wesentlichen die gleiche ist wie vor dem Umformen. Wie in 5 dargestellt, wird dies durch Steuerung der kleinen Hauptformänderung erreicht, die vorzugsweise neutral oder negativ gehalten wird, während die große Hauptformänderung neutral oder positiv ist.
Die Messung der großen und der kleinen Hauptformänderung wird anhand von 4 erläutert. Es sind hier Markierungskreise 30 bekannter Durchmesser an den betreffenden Stellen des Rohres 20 vor der Umformung aufgebracht. Diese Markierungskreise werden nach der Umformung ausgemessen und zeigen die jeweilige Verformung an. In 4 ist der Kreis 30 so verformt, dass er die Form einer Ellipse 31 einnimmt.
Die Verformung wird in der kleinen Achse (axiale Erstreckung des Rohres) und in der großen Achse (Umfangsrichtung des Rohres) für jeden Kreis 30 ausgewertet.
Entsprechend der Darstellung der 4 ist das Maß S₁ der Ellipse in der kleinen Achse geringer als der Durchmesser D, so dass dies eine negative Formänderung anzeigt, während umgekehrt die Größe S₂ an der Ellipse in der großen Achse größer ist als der Durchmesser D und damit eine positive Formänderung anzeigt.
Die typische Veränderung der gemessenen Werte (als Verformanalyse bezeichnet) ist in 5 grafisch dargestellt. Die verschiedenen Verformungswerte für verschiedene Bereiche des rohrförmigen Bauteils 15 gemäß 1 sind angegeben.
Die Fließfestigkeit des Materials ist in der grafischen Darstellung der 5 angegeben, um zu demonstrieren, dass die Formänderungswerte im Wesentlichen unterhalb (vorzugsweise mehr als 50%) der Fließfestigkeit des Materials gehalten werden.
Durch die Steuerung der Auswahl der Größe der Aufweitdorne 25, 29, der auf das Rohr einwirkenden Axialkraft beim Aufschieben über die Aufweitdorne und die Schieberate des Rohres ist es möglich, den Materialfluss während des Verformprozesses zu steuern, um die gewünschte neutrale/negative Formänderung in der kleinen Richtung kombiniert mit der gewünschten Formänderung in der großen Richtung zu erreichen.
Gemäß dieser Steuerung hat das Material das Bestreben, in axialer Richtung auf das Rohr (unter entsprechender Druckkraft) zu fließen und so die Wanddicke des Rohres zu vergrößern. Zur gleichen Zeit fließt das Material aber auch in Umfangsrichtung des Rohres (unter Einwirkung einer Zugkraft), so dass hier die Tendenz in Richtung einer Verringerung der Wanddicke des Rohres geht. Der Grad der Steuerung wird so eingestellt, dass die resultierende Wanddicke des zweiten Abschnitts 19 im Wesentlichen gleich bleibt zu der des ersten Abschnittes 18. Auf diesem Wege behält das rohrförmige Bauteil über seine Länge gleiche Festigkeit und kann somit die Funktion eines lastaufnehmenden strukturalen Elementes erfüllen.
Vorzugsweise wird die Verfahrenssteuerung so durchgeführt, dass eine durchschnittliche Wanddicke d₂ des zweiten Abschnittes 19 resultiert, die mindestens 70% der durchschnittlichen Wanddicke d₁ des ersten Abschnittes 18 beträgt; noch besser ist eine Gestaltung, bei der d₂ mindestens 80% von d₁ ausmacht.
Infolge des Fließens des Materials unter Druck in axialer Richtung werden die Längenverhältnisse l₁ > l₂ > l₃ experimentell festgestellt.
In dem Ausführungsbeispiel, wie es in den 3a bis 3c dargestellt ist, werden nacheinander zwei Umformschritte angewendet. Es ist jedoch leicht verständlich, dass auch mehr als zwei aufeinander folgende Umformschritte angewendet werden können, wenn dies gewünscht wird.
Es hat sich gezeigt, dass in den Fällen, in denen die Querschnittsgestalt des verformten Abschnittes nicht kreisrund ist, beispielsweise wenn flache Abschnitte, die durch Ecken verbunden sind, vorgesehen sind (z. B. die polygonale Gestalt des Abschnittes 19 in 2), dann besteht eine Tendenz, dass die Wanddicke der flachen Bereiche größer bleibt als in den Eckbereichen.
Dies wird anhand der 2 und der nachfolgenden Wertetabelle verdeutlicht, in der die Wanddicken (in mm) relativ zur Ausgangsdicke (t) im Abschnitt 19 an den Stellen A bis P angegeben ist. Die Ausgangswanddicke (t) des Rohres 20, aus dem der Abschnitt 19 umgeformt wird, betrug etwa 2 mm.
Wie schematisch in 6 dargestellt, ist beabsichtigt, den vergrößerten Abschnitt 28 mit polygonalem Umriss mit flachen Bereichen 50 zu gestalten, und zwar in Zuordnung zu Ecken in den zweiten Abschnitten 19. Dies ergibt eine zusätzliche Verstärkung der Wanddicke in diesen Bereichen, wenn diese über einen Aufweitdorn 29 geführt werden, und wirkt daher der erwarteten Wanddickenverringerung an den Ecken des Abschnittes 19 entgegen.
Es ist beabsichtigt, dass der zweite Abschnitt 18 nachfolgend durch andere Gestaltungsprozesse verformt wird, beispielsweise durch Hydroforming.
Die Materialtype und die Wanddicke des Rohres 20 wird unter Beachtung der Festigkeit und der Gebrauchserfordernisse des herzustellenden Bauteils ausgewählt. Für die Verwendung an Fahrzeugaufbauten erscheint Stahl, wie HSLA-Stahl oder Kohlenstoff/Mangan-Stahl geeignet.
Die Herstellung des Ausgangsrohres 20 erfolgt durch Kaltziehen oder durch Rollen oder durch Nahtschweißen.
Es ist auch möglich, dass zwei rohrförmige Bauteile 15 endseits miteinander verbunden werden, um ein zusammengesetztes rohrförmiges Bauteil 40 (7) zu bilden, welches einen vergrößerten Abschnitt 42 im Mittelbereich aufweist.
Die zwei rohrförmigen Bauteile 15 werden durch eine Verbindung 43 aneinandergesetzt, die in jeder bekannten Weise erzeugt werden kann, beispielsweise durch stumpfes Aneinanderfügen, wobei die Enden geklebt oder geschweißt werden können.
In 8 ist ein Beispiel eines speziellen rohrförmigen Bauteils 100 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Das rohrförmige Bauteil 100 weist einen Querträger in einer Fahrzeugkarosserie auf, auf der ein Lenkrad 120 mit Haltern 121 befestigt ist.
Das Bauteil 100 besitzt einen vergrößerten Abschnitt 19 am einen Ende, der über Anschlussstücke 125 mit dem einen Bereich des Fahrzeugs verbunden ist. Der andere Teil des Bauteils 100 weist einen ersten Abschnitt 18 auf, der kreisförmigen Querschnitt konstanter Größe über seine Länge besitzt. Dies führt dazu, dass das Bauteil 100 sich quer über den Fahrzeugaufbau erstreckt und ein Minimum von Bauraum einnimmt. Das freie Ende des ersten Abschnittes 18 ist mit Anschlussmitteln 126 für die Anbringung an der anderen Seite des Fahrzeugs versehen.
In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 18 kreisrund. Er besitzt einen äußeren Durchmesser von etwa 60 mm mit einer Wanddicke von etwa 2 mm. Das Material ist vorzugsweise HSLA-Stahl. Die Querschnittsgestalt des Abschnittes 19 ist ähnlich derjenigen, wie sie in 2 gezeigt ist.
Etwa auf der halben Erstreckung an dem rohrförmigen Bauteil 100 ist ein Befestigungsrahmen vorgesehen. Das obere Ende des Befestigungsrahmens 150 ist an einer Trennwand (nicht dargestellt) des Fahrzeugkörpers befestigt. Sein unteres Ende ist mit dem Getriebetunnel (nicht dargestellt) des Fahrzeugkörpers verbunden. Das Bauteil 100 ist mit dem Rahmen 150 fest verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
Der zweite Abschnitt 19 des Bauteils 100 ist mit der einen Seite des Fahrzeugkörpers und dem Rahmen 150 fest verbunden.
Die Konstruktion von Querträgern für die Unterbringung von Lenkrädern hat auch funktional Auswirkung auf die Vibrationsgeräuschdämpfung des Lenkrades. Diese Eigenschaft ist für die Konstruktion von Fahrzeugaufbauten wichtig, weil es das Lenkgefühl beeinflusst, so z. B. die Vibrationen des Lenkrades, die unter bestimmten Umständen, beispielsweise im Leerlauf des Motors oder bei gewissen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges merkbar sind.
Um solche Vibrationen auf ein Minimum zu reduzieren, ist es wünschenswert, dass der Querträger einen Geräuschdämpfungseffekt aufweist, so dass Vibrationsfrequenzen (f) des Lenkrades sich oberhalb eines Frequenzwertes, typischerweise 30–40 Hz, bewegen.
Es ist erkennbar, dass es einen relativ kostengünstigen Weg darstellt, entweder die Querschnittsgestalt/Dimension des zweiten Abschnittes 19 durch entsprechende Auswahl eines Aufweitdorns oder durch Änderung der Wanddicke in dem zweiten Abschnitt 19 durch entsprechende Wahl der Wanddicke des Ausgangsrohres 20 festzulegen, weil das Bauteil 100 nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung aus einem Ausgangsrohr 20 gebildet und durch entsprechend geformte Aufweitdorne geformt wird. Demzufolge stellt es einen relativ einfachen Weg dar, die Strukturen des Bauteils 100 abzustimmen, um die Geräuschdämpfungseigenschaften zu verbessern.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils (15) mit einem ersten länglichen Abschnitt (18), der mit einem zweiten länglichen Abschnitt (19) eine integrale Einheit bildet, aus einem länglichen Rohr (20) aus Stahl, wobei der zweite Abschnitt (19) am Ende (21) des Rohres (20) platziert, mit der gewünschten Querschnittsgestalt und Größe ausgebildet und die Querschnittsgröße des zweiten Abschnitts (19) größer als die des ersten Abschnitts bemessen ist, indem ein Aufweitdorn (25, 29) mit einer dem zweiten Abschnitt (19) entsprechenden Querschnittsgestalt und Größe ausgewählt wird und das Ende (21) des Rohres (20) zur Formgebung des zweiten Abschnitts (19) in axialer Richtung relativ über den Aufweitdorn (25, 29) geschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Größe des Aufweitdorns (25, 29), die Schieberate und der Axialdruck auf das Rohr (20) so gesteuert werden, dass die Wanddicke (d₂) des zweiten Abschnitts (19) im Durchschnitt mindestens 70% der durchschnittlichen Wanddicke (d₁) des ersten Abschnittes (18) beträgt, und dass die Steuerung des Aufschiebens des Rohres (20) und die Auswahl der Größe des Aufweitdorns (25, 29) so durchgeführt wird, dass der Materialfluss in dem den zweiten Abschnitt (19) bildenden Rohr (20) in axialer Richtung des Rohres (20) eine neutrale oder negative Spannung und in Umfangsrichtung des Rohres (20) eine neutrale oder positive Spannung hervorruft.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Aufschiebens des Rohres (20) und die Auswahl der Größe des Aufweitdorns (25, 29) so durchgeführt wird, dass die Wanddicke des zweiten Abschnitts (19) im Durchschnitt mindestens 80% der durchschnittlichen Wanddicke des ersten Abschnittes (18) beträgt.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswerte kleiner als 50% der Fließfestigkeit des Ausgangsmaterials des Rohres (20) sind.
Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite längliche Abschnitt (19) durch aufeinanderfolgendes relatives axiales Aufschieben des Endes (21) über mehrere Aufweitdorne (25, 29) mit unterschiedlicher Gestalt gebildet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite längliche Abschnitt (19) polygonale Gestalt mit ebenen durch Ecken verbundenen Bereichen aufweist, und dass ein Zwischenaufweitdorn unmittelbar vor dem Aufweitdorn für die Formgebung der polygonalen Gestalt des zweiten Abschnitts eingesetzt wird, wobei der Zwischenaufweitdorn eine polygonale Gestalt mit flachen Bereichen (50) formt, die dort angeordnet sind, wo die Ecken des zweiten Abschnitts (19) vorgesehen sind.