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EP1340558A1 - Verfahren zum Umformen eines gebogenen Ein-oder Mehrkammerhohlprofils mittels Innenhochdruck - Google Patents

Verfahren zum Umformen eines gebogenen Ein-oder Mehrkammerhohlprofils mittels Innenhochdruck Download PDF

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Publication number
EP1340558A1
EP1340558A1 EP02405154A EP02405154A EP1340558A1 EP 1340558 A1 EP1340558 A1 EP 1340558A1 EP 02405154 A EP02405154 A EP 02405154A EP 02405154 A EP02405154 A EP 02405154A EP 1340558 A1 EP1340558 A1 EP 1340558A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow body
cross
bending
slide element
arch wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02405154A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Gehrig
Christian Leppin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcan Technology and Management Ltd filed Critical Alcan Technology and Management Ltd
Priority to EP02405154A priority Critical patent/EP1340558A1/de
Priority to EP03708118A priority patent/EP1483069A1/de
Priority to AU2003212258A priority patent/AU2003212258A1/en
Priority to PCT/EP2003/001775 priority patent/WO2003074207A1/de
Priority to US10/506,446 priority patent/US20050097935A1/en
Publication of EP1340558A1 publication Critical patent/EP1340558A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D7/00—Bending rods, profiles, or tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/28—Making tube fittings for connecting pipes, e.g. U-pieces
    • B21C37/283—Making U-pieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/047—Mould construction

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing curved hollow bodies with inner and outer arches forming inner and outer arch wall areas, wherein an initial hollow body is bent and by means of one or more Hydroforming (IHU) process in an IHU tool in his Final cross-sectional shape is transferred, the starting hollow body at least on Bending section has a bend-friendly cross section, in which wall material through a specific cross-sectional shape closer to the voltage neutral Area with respect to bending stress is in the final cross-sectional shape.
  • IHU Hydroforming
  • the invention relates to a device for shaping curved starting hollow bodies into a final cross-sectional shape or a shape approximating the final cross-section Cross-sectional shape using an internal high pressure (IHU) process, wherein the initial hollow body is at least at the bending section a bend-friendly Cross-section, in which wall material by a specific cross-sectional shape closer to the stress-neutral area in terms of bending stress lies as in the final cross-sectional shape, containing a the bent IHU tool for starting hollow bodies.
  • IHU internal high pressure
  • the invention comprises the use of the according to the invention Processed product.
  • a straight line is generally used to produce curved hollow profiles
  • Initial hollow profile which is in a predetermined bending radius and bending angle is bent by a conventional bending process.
  • the difficulty of the Bending is to be able to maintain the profile cross section in the bending area. So is known, for example, by introducing mandrels that are flexible in the bending direction, like thorns to keep the cross-sectional shape in the bending area.
  • mandrels that are flexible in the bending direction, like thorns to keep the cross-sectional shape in the bending area.
  • IHU processes for forming hollow profiles, opened in the last Years of new opportunities to produce high quality curved profiles.
  • the IHU process is characterized by the fact that a hollow profile is formed by means of a an active medium in the profile cavity created internal high pressure in the form of Tool cavity is formed, in which the hollow profile was previously inserted. In this way, for example, the cross-sectional shape of a hollow profile can be change.
  • the modified manufacturing process for the production of curved hollow bodies draws by sequentially executing a bending and hydroforming process. On straight hollow profile with an easy to bend cross section, which is still does not correspond to the final cross section of the finished hollow profile, is by means of a conventional Bending process bent. In a subsequent IHU process the curved initial hollow profile is converted into the final cross-sectional shape.
  • the production process mentioned has the advantage that the cross section of the bending initial hollow profile no longer necessarily the cross section of the final shape and curved end hollow profile. This allows through ideal cross-sectional shape, mechanical loads and deformation the profile walls in the bending section during the bending process decrease. The result of these advances are curved hollow profiles, which also have excellent mechanical properties in the bending section and optical requirements meet.
  • the object of the present invention is therefore a method and a device to propose to practice the method, which allow curved hollow bodies, in particular simple hollow profiles, with small bending radii and large bending angles manufacture.
  • the IHU tool is in the inner arch wall area of the curved output hollow body movably arranged Includes slide element, which at least partially over the inner arch wall area abuts, and the slide element from the inner arch wall area during the IHU process is retracted in the direction of the bend opening, so that the inner arch wall area of the curved starting hollow body through the High pressure pushed towards the retracting slide element becomes.
  • the device is characterized in that the IHU tool is on the inner arch wall area of the curved output hollow body arranged slide element contains, and the slide element retractable in the direction of the bend opening is.
  • the starting hollow body i.e. the hollow body before the bending and hydroforming process preferably a single or multi-chamber profile, in particular a simple hollow profile.
  • the starting hollow body or the starting hollow profile is expediently made of Metal, preferably made of steel, aluminum or an aluminum alloy.
  • the initial hollow profile is preferably a straight hollow profile.
  • the initial hollow profile has at least on its or its bending sections a cross section that is easy to bend.
  • the starting hollow profile can also its entire length have a bending-friendly cross-section, the Cross-sectional shape and / or size preferably over the entire length of the Hollow profile is constant.
  • Bend-friendly means that the wall material has a specific shape the profile cross-section as close as possible to the neutral surface with regard to bending stress, also known as a voltage-neutral area, so that Deformation forces as low as possible, such as tensile and compressive forces on the wall material be exercised. In this way, a small moment of inertia can be obtained to reach.
  • the neutral surface leads through the profile center line.
  • the wall material of a bend-friendly cross section is therefore close to that Profile center line placed.
  • Bending-friendly cross-sections are therefore characterized by flat cross-sectional shapes with relatively large height to width ratios.
  • a Shapes can e.g. correspond to flat squatting profiles.
  • the Cross-sectional shapes of elliptical or oval shape.
  • the cross section which is easy to bend is preferably a rounded profile cross section with on both sides and opposite in the direction of the voltage neutral Surface formed indentations or indentations through which a Type constriction or waist is created, the narrowest point of the waist is preferably at the level of the profile center line.
  • Such a bend-friendly Cross-section can be in the form of an hourglass, for example, the extent of the central constriction can vary as desired.
  • the initial hollow profile can be an extruded profile which is extruded preferably produced directly with a bending-friendly cross-sectional shape becomes.
  • the initial hollow profile can also consist of a formed and joined, in particular welded, rolled product, such as sheet metal.
  • the said hollow profile can be made with the bend-friendly cross section or in a subsequent process step into a bend-friendly cross section be transferred.
  • the production of a bend-friendly cross section can also integral process step of the bending process, the starting hollow profile immediately before bending using appropriate tools in the bending friendly Cross section is transferred.
  • Suitable bending processes are e.g. Drawing bending, such as rotary drawing bending, pressure drawing bending, Press bending, stretch bending or roll bending.
  • the bending process can additionally supported with a flexible mandrel insert guided in the profile cavity become.
  • guiding and fixing aids such as clamping jaws, bending rollers, Slide rails and / or anti-wrinkle support the bending process.
  • the curved starting hollow profile can be bent once or several times, whereby the bending axes can be parallel or at an angle to one another.
  • the curved starting hollow profile can e.g. an S-shape with parallel bending axes exhibit.
  • the bent one and its final cross-section formed using the hydroforming process Hollow profile has in a preferred embodiment at least in the inner arch wall area, a convex arch-shaped seen from the outside Cross-sectional contour.
  • this is End hollow profile of tubular shape with a preferred at least in the bending section circular, elliptical or oval cross-section.
  • the final cross section of the End hollow profile can optionally in the outer and / or inner arch wall area also contain corners.
  • the developed circumferential length of the bend-friendly Cross section of the initial hollow profile can be smaller, larger and preferably of be of the same order of magnitude as the developed cross-sectional circumferential length of the final hollow profile.
  • the ratio B of the mean bending radius R m to the outer tube diameter D B R m / D for tubes made of metal, in particular aluminum or an aluminum alloy, is in a preferred embodiment of the invention in the range: 0.5 0,5 B 2 2, and in particular in Range of 0.7 ⁇ B ⁇ 1.
  • the mean bending radius R m extends from the bending axis to the profile center line.
  • the bending angle can be in the range from greater than 0 ° to 180 ° (angle degrees).
  • the Bending angle is preferably in the range from 40 ° to 180 °, advantageously from 60 ° to 180 ° and in particular in the range from 90 ° to 180 °.
  • the IHU tool according to the invention contains a basic tool with expedient two or more tool parts or tool halves, the basic tool partially, i.e. preferably at least in the outer arch wall area, which forms the tool cavity receiving the curved starting hollow profile.
  • the contour of the tool cavity in the outer arch wall area can be the contour of the End hollow profile, the contour of the curved starting hollow profile or one between these two forms.
  • the forming tool contains a movable slide element, which at least in part has the contour of the tool cavity in the inner arch wall area formed.
  • the slide element functions here a counterhold.
  • the at least partially the inner arch wall area the contour of the slide element forming the tool cavity is preferred opposite to the contour of the curved initial hollow profile in the inner arch wall area.
  • the slide element preferably has a convex surface shape that fits into the indentation.
  • the slider element preferably extends from the inner arch area back to the bend opening. Accordingly, the slide element forms at least partial the contour of the tool cavity both in the inner arch wall area and also in the adjacent wall sections of the adjacent hollow profile legs. Said contour is preferably opposite to the cross-sectional shape of the curved one Initial hollow profile on said wall sections. That way avoided that the slide element when moving back in the direction x of the bend opening by expanding the profile wall in the wall section of the hollow profile leg is blocked.
  • the slide element is adapted to the curvature of the inner curve and has an arcuate finish.
  • the slide element preferably has Execution a tongue-shaped design.
  • the slide element is preferably of such a nature that it is in the It is able to withstand the forces generated by the internal high pressures to oppose and thus support the inner arch wall area can.
  • the slide element is expediently displaceable, e.g. linearly displaceable, and preferably displaceable in the direction of the bend opening x.
  • the Slider element is also preferred with a leading the slider element Guide device connected.
  • the guide device can optionally contain a drive unit.
  • the slide element is preferably between an upper and lower tool half guided.
  • the bent and at least present in the bending section in a bending-friendly cross-sectional shape Initial hollow profile inserted in the cavity of a basic tool.
  • the slide element moves in the direction x of the bend opening during the IHU process moved back a certain distance from the inner arch wall area, wherein the inner arch wall area adjacent to the slide element passes through the internal high pressure is replenished.
  • the internal high pressures can e.g. 500-2000 bar.
  • the present hollow profile now shows in the inner arch wall area corresponding to the end cross section of the end hollow profile or approximate cross-sectional shape.
  • the hollow profile is subsequently placed in another forming tool, the Tool cavity corresponds to the cross section of the end hollow profile.
  • the hollow profile is now transferred into its final cross-section.
  • the optimal design of the slide element can also provide that the final cross section of the hollow profile is reached in the first hydroforming step becomes.
  • the method according to the invention allows a multi-stage cold forming process the production of bent tubes with large bending angles and extremely small ones Bending radii.
  • the use of a slide element according to the invention allows it, the material flow in the Controlling the inner arch wall area of the hollow profile in a targeted manner.
  • the process was carried out in the IHU cross-cutting process for all material flow in Direction of expansion of the profile cross-section, i.e. in the radial direction. Thereby however, there are thickened walls and folds.
  • a Slider element which specifically controls the radial flow of material, becomes a lateral one Material flow along the surface of the slide element in the direction of wall regions of the profile legs which are adjacent to the inner arch wall region. The wall thickening in the inner arch area is thus reduced and wrinkling thereby excluded.
  • the method according to the invention therefore allows hollow profiles, in particular tubular ones To produce hollow profiles with very small bending radii and high bending angles, which cannot be achieved using conventional methods. Furthermore, the method according to the invention allows the use of hollow profiles with comparatively small wall thicknesses and thus the saving of material.
  • Pipes can also be used as body components, e.g. Space-frame components, Engine mounts, chassis components, components for exhaust systems, e.g. Manifold, as well as construction or structural elements for e.g. Support bars, protective bar or roll bar.
  • body components e.g. Space-frame components, Engine mounts, chassis components, components for exhaust systems, e.g. Manifold, as well as construction or structural elements for e.g. Support bars, protective bar or roll bar.
  • Processed single or multiple bent pipes are used for pipes of all kinds, e.g. for transferring liquids and gases under pressure, such as hydraulic lines, as railings and for other applications in Vehicle, ship and aircraft construction as well as in building construction or civil engineering.
  • FIGS. 1-7 show representations from process simulations, with the grid contours the central surfaces of the forming body or the surfaces of the forming tools correspond.
  • the figures consequently only show schematically simplified ones Illustrations to illustrate the method according to the invention and device again.
  • the exemplary embodiment shown below with reference to FIGS. 1-7 relates to the production of hollow end profiles with a circular cross-section and a bending angle of 180 °.
  • the hollow profiles shown are only excerpts from one any longer hollow profile with, for example, straight or further curved Profile sections.
  • Fig. 1 shows how from a formerly straight hollow profile 5, e.g. an extruded profile, with a bend-friendly cross-section by means of a conventional one Bending process, a curved starting hollow profile 10a (FIG. 2) is produced, the associated bending device 1 leading the initial hollow profile 5 Includes slide rail 2 and a bending roller 4 bending the initial hollow profile 5.
  • the starting hollow profile 5 is for this purpose by means of a clamping jaw on the bending roller 4 fixed, which subsequently fixed the hollow output profile 5 by means of a Rotational motion bends.
  • the initial hollow profile 5 is during the bending process guided in the slide rail 2 in the direction of the bending roller 4.
  • the initial hollow profile 5 has a bending-friendly cross section, which e.g. produced by means of a forming process or directly in the extrusion process becomes.
  • the production of the initial hollow profile 5 with a cross section that is easy to bend as well as the bending process are independent of subsequent process steps, in which the curved starting profile 10a into the cross-sectional shape of the End hollow profile 10g is formed. That other bending methods can also be used be applied.
  • the curved starting hollow profile 10a has a particularly preferred bend-friendly Cross-sectional shape, which is arranged by two mirror-symmetrical Characterized indentations 13a, b, the indentations 13a, b profile center form a kind of constriction.
  • the mirror-symmetrical arrangement relates on a mirror axis 14 or plane running parallel to the bending axis.
  • the curved starting hollow profile 10a has an outer arch with an outer arch wall region 11 and an inner arch with an inner arch wall area 12, wherein the inner and outer arch wall areas expediently through the stress-neutral line or surface 14 running parallel to the bending axis, 65 are delimited from each other.
  • Fig. 3 shows the arrangement of a part of the IHU tool after completion of a first IHU process.
  • the hollow profile 10e lies in a lower half of the tool 22b.
  • the upper half of the tool is not shown for reasons of illustration.
  • a slide element 21 is introduced, which in the course of the process in the direction x of the bend opening by a certain Path length has been reduced and has now reached its end position, so that the inner arch wall area adjacent to the slide element 21 in the direction x of the retracting slide element 21 expand and one of the end hollow profile could take on a contour.
  • the slide element 21 has in Top view of a tongue-shaped corresponding to the curvature of the inner arch wall area Shape up.
  • the hollow profile 10e is inserted into a second IHU tool placed (Fig. 4a-c), which the end contour of both the inside and also specifies the outer arch wall area.
  • the outer arch wall area of the hollow profile 10e is already formed into the contour of the end hollow profile, which is represented by the tool cavity.
  • the inner arch wall section approximately in the cross-sectional shape in the area of the greatest curvature of the end hollow profile expands (Fig. 4a).
  • the hollow profile 10e is now through High pressure transferred into the cross-sectional shape of the end hollow profile 10g (Fig. 4b-c). For reasons of illustration, only the lower tool half 32b of the IHU tool is shown schematically.
  • FIG. 5a-f show the execution of the first IHU process according to the invention step by step in cross-sectional view along the line A - A of Fig. 3.
  • a curved Hollow profile 10a (see also Fig. 2) in a bending-friendly cross section according to FIG. 2 shows a forming tool 22 that forms a cavity with an upper 22a and lower 22b tool half placed and closed.
  • Slider element 21 which the cavity wall over at least one wall area the inner arch wall is formed before, after or with the closing of the two tool halves 22a, b to the inner arc wall area of the curved Exit hollow profile 10a advanced.
  • the inner arch wall area of the initial hollow profile 10a adjacent contour of the slide element 21 is opposite to the contour of the concave inner arch wall area. In this version corresponds to the said contour of the slide element 21 in cross section of a toroidal surface.
  • the slide element 21 is subsequently moved back in the direction x of the bend opening, the inner arch wall area due to the persistent internal high pressure the slider element 21 is pushed and increasing the contour of the end hollow profile approximates or adopts this (Fig. 5b-f).
  • the internal high pressure is reduced, that approximates the final shape in the inner arch wall area Hollow profile 10e demolded (see also Fig. 3, 4a) and in a second hydroforming tool 32 with upper and lower tool halves 32a, 32b inserted.
  • the second IHU tool 32 has the contour of the end hollow profile 10g, i.e. either in the inner arch wall area as well as in the outer arch wall area.
  • the hollow profile 10e, 10f is now in the contour of the final hollow profile 10g shaped.
  • the outer arch wall area 11, 61 can only be in the second IHU process step in the cross-sectional shape of the final hollow profile 10g are formed. That the IHU tool 22 working with the slide element 21 has in the Outer arch wall area 11 the contour of the curved starting hollow profile 10a or a contour which is between the initial high profile 10a and the final hollow profile 10g lies on.
  • FIG. 7 shows a top view of the bent end hollow profile 10g which has been shaped into a circular cross section (see also FIG. 4c).
  • the bending surface or line 65 also forms the profile center line and is also the reference surface for the bending radius R m .
  • the grid lines 63 reproduce the material flow within the profile walls, with grid lines closely pushed together for accumulation and grid lines arranged far apart from one another for reducing the wall material.
  • the end hollow profile 10g has a remarkable material flow 66 (arrows) from the inner arch wall region 62 in the direction x of the bend opening, ie in the direction of the two adjacent profile legs 67a, 67b.
  • Said material flow is brought about by the aforementioned slide element 21, in that the wall material is forced to flow outward from the inner arch wall region 62 outward from the inner arch wall region 62 in the direction of the wall of the profile legs 67a, 67b along the abutting surface of the slide element 21 and the counterforce of the slide element 21 ,
  • the wall material of the inner arch wall region 62 is also guided outwards in a controlled manner in the radial direction, approximating the cross-sectional shape of the end hollow profile 10g, folding being prevented in the inner arch wall region 62 due to the simultaneous flow of material in the direction of the profile legs 67a, 67b.
  • the thickening of the wall can be reduced by the method according to the invention.
  • FIG. 8 shows a graphical representation 50 with regard to the areas of application of 90 ° bends on tube profiles made of a typical aluminum alloy of tube diameter, bending radius and wall thickness.
  • the ratio of the mean bending radius R m to the outer tube diameter D is plotted on the horizontal axis and the ratio of the outer tube diameter D to the wall thickness t is plotted on the vertical axis.
  • the hatched area 51 represents the executable area with respect to a 90 ° bend, the feasibility relating to a conventional bending method.
  • the area beyond the hatched area delimited by a straight line represents the non-executable area in which a successful bending process can no longer be guaranteed.
  • a pipe to be bent has a diameter D of 20 and a wall thickness of 1
  • a 90 ° bend with a bending radius of 40 can be carried out on said pipe according to FIG. 8, since the ratio R m / D 2 and that Ratio D / t is 20 and the corresponding intersection is therefore in the shaded area.
  • R m a bending radius of 30 with the pipe dimensions remaining the same, the intersection falls into a range that cannot be carried out, ie the pipe is likely to fail during bending.

Landscapes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
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  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gebogenen Hohlkörpern (10g) mit einem Innen- und Aussenbogen. Ein Ausgangshohlkörper mit einer wenigstens am Biegeabschnitt biegefreundlichen Querschnittsform wird gebogen und mittels eines Innenhochdruckumform-(IHU)-Verfahrens in einem oder mehreren Umformschritten in seine Endquerschnittsform überführt. Das IHU-Werkzeug umfasst im Innenbogenwandbereich (62) des gebogenen Ausgangshohlkörpers (10a) ein bewegliches Schieberelement (21), welches zu Beginn des Umformprozesses dem Innenbogenwandbereich (62) einen Widerstand entgegensetzt und während des IHU-Prozesses aus dem Innenbogenwandbereich (62) zurückgefahren wird, so dass der Innenbogenwandbereich (62) des Hohlkörpers durch den Innenhochdruck in Richtung des zurückfahrenden Schieberelements (21) hinaus gedrückt wird, wobei das Zurückfahren des Schieberelementes (21) und der Innenhochdruck so gesteuert sind, dass Wandmaterial aus dem Innenbogenwandbereich (62) in Richtung der angrenzenden, biegeferne Wandzone des Hohlkörpers fliesst. <IMAGE>

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gebogenen Hohlkörpern mit Innen- und Aussenbogenwandbereiche ausbildenden Innen- und Aussenbogen, wobei ein Ausgangshohlkörper gebogen und mittels eines oder mehreren Innenhochdruckumform-(IHU)-Verfahrens in einem IHU-Werkzeug in seine Endquerschnittsform überführt wird, wobei der Ausgangshohlkörper wenigstens am Biegeabschnitt einen biegefreundlichen Querschnitt aufweist, in welchem Wandmaterial durch eine spezifische Querschnitts-Formgebung näher an der spannungsneutralen Fläche bezüglich Biegebbeanspruchung liegt als in der Endquerschnittsform.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Umformen von gebogenen Ausgangshohlkörpern in eine Endquerschnittsform oder eine dem Endquerschnitt angenäherte Querschnittsform mittels eines Innenhochdruck-(IHU)-Verfahrens, wobei der Ausgangshohlkörper wenigstens am Biegeabschnitt einen biegefreundlichen Querschnitt aufweist, in welchem Wandmaterial durch eine spezifische Querschnitts-Formgebung näher an der spannungsneutralen Fläche bezüglich Biegebeanspruchung liegt als in der Endquerschnittsform, enthaltend ein den gebogenen Ausgangshohlkörper aufnehmendes IHU-Werkzeug.
Überdies umfasst die Erfindung die Verwendung des nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Erzeugnisses.
Die Herstellung hochqualitativer, gekrümmter bzw. gebogener Hohlkörper, wie z.B. rohrförmige Profile, ist mit etwelchen Schwierigkeiten verbunden. Einerseits soll der Hohlkörper insbesondere im Krümmungsbereich eine möglichst gleichmässige Wanddicke und insbesonders keine durch Umformschritte verursachte Schwächezonen wie Risse oder Faltungen aufweisen. Andererseits sollten die gebogenen Hohlkörper in möglichst wenig Kaltumform-Verfahrensschritten wirtschaftlich und zeiteffizient herstellbar sein.
Zur Herstellung gebogener Hohlprofile bedient man sich in der Regel eines geraden Ausgangshohlprofils, welches in einem vorgegebenen Biegeradius und Biegewinkel mittels eines herkömmlichen Biegeverfahrens gebogen wird. Die Schwierigkeit des Biegens liegt darin, den Profilquerschnitt im Biegebereich erhalten zu können. So ist beispielsweise bekannt, durch Einführen von in Biegerichtung flexiblen Dornen, wie Fingerdornen, die Querschnittsform im Biegebereich zu halten. Dies führt jedoch in der Wandung des Aussenbogens zu starken Dehnungen und folglich zu einer Ausdünnung der dortigen Profilwand bis hin zu Rissbildung, während es im Innenbogenwandbereich zu einer starken Kompression und folglich zu einer Stauchung der Profilwand bis hin zu Faltenbildung kommt.
Mit dem beschriebenen Verfahren können deshalb in Abhängigkeit der Hohlprofildurchmesser und Profilwanddicke nur beschränkte Krümmungsradien und Krümmungswinkel realisiert werden.
Mit der Einführung von Innenhochdruckumform-Verfahren, nachfolgend IHU-Verfahren genannt, zur Umformung von Hohlprofilen, eröffneten sich in den letzten Jahren neue Möglichkeiten, gebogene Profile von hoher Qualität herzustellen. Das IHU-Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hohlprofil mittels eines durch ein Wirkmedium im Profilhohlraum angelegten Innenhochdrucks in die Form der Werkzeugkavität umgeformt wird, in welche das Hohlprofil zuvor eingelegt wurde. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Querschnittsform eines Hohlprofils verändern.
Der modifizierte Fertigungsprozess zur Herstellung gebogener Hohlkörper zeichnet sich durch ein sequentielles Ausführen eines Biege- und IHU-Prozesses aus. Ein gerades Ausgangshohlprofil mit einem biegefreundlichen Querschnitt, welcher noch nicht dem Endquerschnitt des fertigen Hohlprofils entspricht, wird mittels eines herkömmlichen Biegeverfahrens gebogen. In einem nachfolgenden IHU-Prozess wird das gebogene Ausgangshohlprofil in die endgültige Querschnittsform überführt.
Der genannte Fertigungsprozess weist den Vorteil auf, dass der Querschnitt des zu biegenden Ausgangshohlprofils nicht mehr zwingend dem Querschnitt des endgeformten und gebogenen Endhohlprofils entsprechen muss. Dies erlaubt, durch ideale Querschnittsformgebung die mechanischen Belastungen sowie die Deformation der Profilwände im Biegeabschnitt während des Biegeprozesses markant herabzusetzen. Das Ergebnis dieser Fortschritte sind gebogene Hohlprofile, welche auch im Biegeabschnitt über ausgezeichnete mechanische Eigenschaften verfügen und optischen Ansprüchen genügen.
Trotz der durch die Integration eines IHU-Prozesses erzielten Fortschritte hat sich herausgestellt, dass die Herstellung von gebogenen Hohlprofilen, insbesondere von rohrförmigen Hohlprofilen, mit sehr kleinen Biegeradien und sehr grossen Biegewinkeln von z.B. 90-180° (Winkelgrade) nach den bekannten Verfahren nicht die hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und an das optische Erscheinungsbild erfüllen.
Man ist folglich auch mit den heutigen Biege- und Umformtechniken bezüglich Biegeradien und Biegewinkeln noch grossen Einschränkungen unterworfen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens vorzuschlagen, welche erlauben gebogene Hohlkörper, insbesondere einfache Hohlprofile, mit kleinen Biegeradien und grossen Biegewinkeln herzustellen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das IHU-Werkzeug ein im Innenbogenwandbereich des gebogenen Ausgangshohlkörpers beweglich angeordnetes Schieberelement enthält, welches dem Innenbogenwandbereich wenigstens teilflächig anliegt, und das Schieberelement während des IHU-Prozesses aus dem Innenbogenwandbereich in Richtung der Biegungsöffnung zurückgefahren wird, so dass der Innenbogenwandbereich des gebogenen Ausgangshohlkörpers durch den Innenhochdruck in Richtung des zurückfahrenden Schieberelements nachgeschoben wird.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das IHU-Werkzeug ein am Innenbogenwandbereich des gebogenen Ausgangshohlkörpers angeordnetes Schieberelement enthält, und das Schieberelement in Richtung der Biegungsöffnung zurückfahrbar ist.
Der Ausgangshohlkörper, d.h. der Hohlkörper vor dem Biege- und IHU-Prozess, ist vorzugsweise ein Ein- oder Mehrkammerprofil, insbesondere ein einfaches Hohlprofil. Der Ausgangshohlkörper bzw. das Ausgangshohlprofil ist zweckmässig aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Das Ausgangshohlprofil liegt vorzugsweise als gerades Hohlprofil vor.
Das Ausgangshohlprofil weist wenigstens an seinem oder seinen Biegeabschnitten einen biegefreundlichen Querschnitt auf. Das Ausgangshohlprofil kann auch über seine gesamte Länge einen biegefreundlichen Querschnitt aufweisen, wobei die Querschnittsform und/oder -grösse vorzugsweise über die gesamte Länge des Hohlprofils konstant ist.
Biegefreundlich bedeuted, dass das Wandmaterial durch spezifische Formgebung des Profilquerschnitts möglichst nahe an die die neutrale Fläche bezüglich BiegeBeanspruchung, auch spannungsneutrale Fläche genannt, geführt wird, so dass möglichst geringe Deformationskräfte wie Zug- und Druckkräfte auf das Wandmaterial ausgeübt werden. Auf diese Weise lässt sich ein geringes Flächenträgheitsmoment erreichen. Die spannungsneutrale Fläche führt hierbei durch die Profilmittellinie. Das Wandmaterial eines biegefreundlichen Querschnitts ist folglich nahe der Profilmittellinie platziert.
Biegefreundliche Querschnitte zeichnen sich daher durch flache Querschnittsformen mit verhältnissmässig grossen Höhe zu Breite Verhältnissen aus. Solchen Formen können z.B. flachen Hockkantprofile entsprechen. Ferner können die Querschnittsformen von elliptischer oder ovaler Gestalt sein. Im weiteren kann der Profilquerschnitt querschnittlich in Richtung der spannungsneutralen Fläche einwärts gebogene Flankenwände, z.B. in Form von Eindellungen bzw. Einbuchtungen, aufweisen. Der biegefreundliche Querschnitt ist bevorzugt ein rundlicher Profilquerschnitt mit beidseitig und gegenüberliegend in Richtung der spannungsneutralen Fläche ausgebildeten Eindellungen bzw. Einbuchtungen, durch welche eine Art Einschnürung bzw. Taillierung erzeugt wird, wobei die engste Stelle der Taillierung vorzugsweise auf Höhe der Profilmittellinie liegt. Eine solcher biegefreundlicher Querschnitt kann beispielsweise in der Form ähnlich einer Sanduhr vorliegen, wobei das Mass der mittigen Einschnürung beliebig variieren kann.
Der Abflachung des Profilquerschnitts sind jedoch dahingehend Grenzen gesetzt, als dass der Profilquerschnitt keine allzu starken Wandkrümmungen enthalten sollte, da das Wandmaterial an solchen Krümmungen während des IHU-Prozesses sehr hohen lokalen Umformungen unterworfen ist und sich daher Schwachstellen ausbilden können.
Das Ausgangshohlprofil kann ein Strangpressprofil sein, welches mittels Strangpressen vorzugsweise direkt mit einer biegefreundlichen Querschnittform hergestellt wird.
Das Ausgangshohlprofil kann auch aus einem umgeformten und gefügten, insbesondere geschweissten, Walzprodukt, wie Blech, bestehen. Das besagte Ausgangshohlprofil kann mit dem biegefreundlichen Querschnitt hergestellt sein oder in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in einen biegefreundlichen Querschnitt überführt werden. Die Herstellung eines biegefreundlichen Querschnitt kann auch integraler Verfahrensschritt des Biegeprozesses sein, wobei das Ausgangshohlprofil unmittelbar vor dem Biegen mittels entsprechender Werkzeuge in den biegefreundlichen Querschnitt überführt wird.
Als Biegeverfahren eignen sich z.B. Ziehbiegen, wie Rotationsziehbiegen, Druckziehbiegen, Pressbiegen, Streckbiegen oder Rollbiegen. Der Biegeprozess kann zusätzlich mit einem im Profilhohlraum geführten flexiblen Dorneinsatz unterstützt werden. Ferner können Führungs- und Fixierhilfen wie Spannbacken, Biegerollen, Gleitschienen und/oder Faltenglätter den Biegeprozess unterstützen.
Das gebogene Ausgangshohlprofil kann einfach oder mehrfach gebogen sein, wobei die Biegeachsen parallel oder in einem Winkel zueinander liegen können. Das gebogene Ausgangshohlprofil kann z.B. eine S-Form mit parallel liegenden Biegeachsen aufweisen.
Das gebogene und mittels IHU-Verfahren in seinen Endquerschnitt umgeformte Hohlprofil, nachfolgend als Endhohlprofil bezeichnet, weist in bevorzugter Ausführung wenigstens im Innenbogenwandbereich eine von aussen betrachtet konvexbogenförmige Querschnittskontur auf. In besonders bevorzugter Ausführung ist das Endhohlprofil von rohrförmiger Gestalt mit einem wenigstens im Biegeabschnitt bevorzugt kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt. Der Endquerschnitt des Endhohlprofils kann im Aussen- und/oder Innenbogenwandbereich gegebenenfalls auch Ecken enthalten. Die abgewickelte Umfangslänge des biegefreundlichen Querschnitts des Ausgangshohlprofils kann kleiner, grösser und vorzugsweise von gleicher Grössenordnung sein, wie die abgewickelte Querschnitt-Umfangslänge des Endhohlprofils.
Das Verhältnis B des mittleren Biegeradius Rm zum Rohraussendurchmesser D B = Rm / D für Rohre aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, liegt in bevorzugter Ausführung der Erfindung im Bereich von: 0,5 ≤ B ≤ 2 , und insbesondere im Bereich von 0,7 ≤ B ≤ 1.
Der mittlere Biegeradius Rm erstreckt sich von der Biegeachse zur Profilmittellinie.
Der Biegewinkel kann im Bereich von grösser 0° bis 180° (Winkelgrade) liegen. Der Biegewinkel liegt bevorzugt im Bereich von 40° bis 180°, vorteilhaft von 60° bis 180° und insbesondere im Bereich von 90° bis 180°.
Das erfindungsgemässe IHU-Werkzeug enthält ein Basiswerkzeug mit zweckmässig zwei oder mehreren Werkzeugteilen bzw. Werkzeughälften, wobei das Basiswerkzeug teilweise, d.h. vorzugsweise wenigstens im Aussenbogenwandbereich, die das gebogene Ausganghohlprofil aufnehmende Werkzeugkavität ausbildet. Die Kontur der Werkzeugkavität im Aussenbogenwandbereich kann der Kontur des Endhohlprofils, der Kontur des gebogenen Ausgangshohlprofils oder einer zwischen diesen beiden Formen liegende Kontur sein.
Das Umformwerkzeug enthält neben dem Basiswerkzeug ein bewegliches Schieberelement, welches wenigstens teilflächig die Kontur der Werkzeugkavität im Innenbogenwandbereich ausbildet. Das Schieberelement übt hierbei die Funktion eines Gegenhalters aus. Die wenigstens teilflächig den Innenbogenwandbereich der Werkzeugkavität ausbildene Kontur des Schieberelements ist vorzugsweise gegengleich zur Kontur des gebogenen Ausgangshohlprofils im Innenbogenwandbereich.
Weist die Querschnittsform des gebogenen Ausgangshohlprofils im Innenbogenwandbereich eine Eindellung auf bzw. liegt das gebogene Ausgangshohlprofil in einer Sanduhr-förmigen Querschnittsform vor, so weist das Schieberelement vorzugsweise eine konvexe, in die Eindellung passende Oberflächengestalt auf.
Das Schieberelement erstreckt sich vorzugsweise vom Innenbogenbereich bis zurück an die Biegungsöffnung. Entsprechend bildet das Schieberelement wenigstens teilflächig die Kontur der Werkzeugskavität sowohl im Innenbogenwandbereich als auch in den angrenzenden Wandabschnitten der benachbarten Hohlprofilschenkel. Die besagte Kontur ist vorzugsweise gegengleich zur Querschnittsform des gebogenen Ausgangshohlprofils an besagten Wandabschnitten. Auf diese Weise wird vermieden, dass das Schieberelement beim Zurückfahren in Richtung x der Biegungsöffnung durch das Ausdehnen der Profilwand im Wandabschnitt des Hohlprofilschenkels blockiert wird.
In Draufsicht ist das Schieberelement der Krümmung des Innenbogens angepasst und weist einen bogenförmigen Abschluss auf. Das Schieberelement weist in bevorzugter Ausführung eine zungenförmige Ausgestaltung auf.
Das Schieberelement ist bevorzugt von einer derartigen Beschaffenheit, dass es im Stande ist, den durch die Innenhochdrücke erzeugten Kräften einen Widerstand entgegenzusetzen und es auf diese Weise den Innenbogenwandbereich zu stützen vermag.
Das Schieberelement ist zweckmässig verschiebbar, z.B. linear verschiebbar, und vorzugsweise in Richtung der Biegungsöffnung x verschiebbar, angeordnet. Das Schieberelement ist ferner bevorzugt mit einer das Schieberelement führenden Führungsvorrichtung verbunden. Die Führungsvorrichtung kann gegebenenfalls eine Antriebseinheit enthalten.
Das Schieberelement ist vorzugsweise zwischen einer oberen und unteren Werkzeughälfte geführt.
In Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das gebogene und wenigstens im Biegeabschnitt in einer biegefreundlichen Querschnittsform vorliegende Ausgangshohlprofil in die Kavität eines Basiswerkzeug eingelegt.
Nachfolgend wird ein Innenhochdruck angelegt, wobei das Ausgangshohlprofil im Aussenbogenwandbereich in die Kontur der Werkzeugkavität gepresst wird. Das Schieberelement wird während des IHU-Prozesses in Richtung x der Biegungsöffnung um eine bestimmte Weglänge aus dem Innenbogenwandbereich zurückgefahren, wobei der dem Schieberelement anliegende Innenbogenwandbereich durch den Innenhochdruck nachgeschoben wird. Die Innenhochdrücke können hierbei z.B. 500-2000 bar betragen.
Erreicht das Schieberelement seine vorbestimmte Endposition, so wird der IHU-Prozess beendet und das Werkstück entformt. Das vorliegende Hohlprofil weist nun im Innenbogenwandbereich eine dem Endquerschnitt des Endhohlprofils entsprechende oder angenäherte Querschnittsform auf.
Das Hohlprofil wird nachfolgend in ein weiteres Umformwerkzeug gelegt, dessen Werkzeugkavität dem Querschnitt des Endhohlprofils entspricht. In einem weiteren IHU-Prozess wird nun das Hohlprofil in seinen Endquerschnitt überführt.
Durch optimale Ausgestaltung des Schieberelements kann auch vorgesehen sein, dass der Endquerschnitt des Hohlprofils bereits im ersten IHU-Umformschritt erreicht wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt als mehrstufiges Kaltumformverfahren die Herstellung von gebogenen Rohren mit grossen Biegewinkeln und extrem kleinen Biegeradien. Der Einsatz eines erfindungsgemässen Schieberelementes erlaubt es, den durch den Querschnittgebungsprozess ausgelösten Materialfluss im Innenbogenwandbereich des Hohlprofils gezielt zu steuern. Bei herkömmlichen Verfahren erfolgte im IHU-Querschnittgebungsprozess sämtlicher Materialfluss in Ausdehnungsrichtung des Profilquerschnitts, d.h. in radialer Richtung. Dadurch kommt es jedoch zu Wandverdickungen und Faltungen. Mit dem Einsatz eines Schieberelementes, welches den radialen Materialfluss gezielt steuert, wird ein lateraler Materialfluss entlang der Oberfläche des Schieberelements in Richtung der dem Innenbogenwandbereich benachbarten Wandbereiche der Profilschenkel erzeugt. Die Wandverdickung im Innenbogenbereich wird somit reduziert und Faltenbildung dadurch ausgeschlossen.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt daher, Hohlprofile, insbesondere rohrförmige Hohlprofile mit sehr kleinen Biegeradien und hohen Biegewinkeln herzustellen, welche mittels den herkömmlichen Verfahren nicht erzielt werden können. Ferner erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren die Verwendung von Hohlprofilen mit vergleichsweise kleinen Wanddicken und somit die Einsparung von Material.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich beispielsweise einfach oder mehrfach gebogene Ladeluftrohre bzw. Saugrohre für Verbrennungsmotoren, vorzugsweise für Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen, herstellen. Die Verbrennungsmotoren, auf welche die genannten Ladeluftrohre Einsatz finden, sind bevorzugt Verbrennungsmotoren nach dem Otto- oder Dieselprinzip, insbesondere Saugmotoren, turbogeladene oder kompressorgeladene Motoren.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte, einfach oder mehrfach gebogene Rohre können ferner Verwendung finden als Karosseriebauteile, z.B. Space-Frame-Komponenten, Motorenträger, Fahrwerkskomponenten, Bauteile für Abgasanalgen, z.B. Krümmer, sowie als Konstruktions- oder Bauelemente für z.B. Tragholme, Schutzbügel oder Überrollbügel. Überdies können mit erfindungsgemässem Verfahren hergestellte ein- oder mehrfach gebogene Rohre Verwendung finden für Rohrleitungen aller Art, z.B. zur Fortleitung von Flüssigkeiten und Gasen unter Druck, wie Hydraulikleitungen, als Geländer und für weitere Anwendungen im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau sowie im Hochbau oder Tiefbau.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1:
eine perspektivische Ansicht eines Biegeprozesses;
Fig. 2:
eine perspektivische Ansicht eines gebogenen Ausgangshohlprofils;
Fig. 3:
eine perspektivische Ansicht eines ersten erfindungsgemässen IHU-Prozesses;
Fig. 4a-c:
eine perspektivische Ansicht eines zweiten IHU-Prozesses zur Herstellung des Endhohlprofils;
Fig. 5a-f:
einen Querschnitt durch die Position A-A der Fig. 3 in verschiedenen Verfahrensstadien des ersten IHU-Prozesses;
Fig. 6a-b:
einen Querschnitt durch die Position B-B der Fig. 7 in verschiedenen Verfahrensstadien des zweiten IHU-Prozesses;
Fig. 7:
eine Draufsicht eines endumgeformten Endhohlprofils;
Fig. 8:
eine graphische Darstellung hinsichtlich der Ausführbarkeit von 90°-Biegungen an Rohrprofilen.
Fig. 1 - 7 zeigen Darstellungen aus Prozesssimulationen, wobei die Gitternetz-Konturen den Mittelflächen der Umformkörper bzw. der Oberflächen der Umformwerkzeuge entsprechen. Die Figuren geben folglich lediglich schematisch vereinfachte Abbildungen zur Veranschaulichung des erfindungsgemässen Verfahrens und Vorrichtung wieder.
Das anhand Fig. 1 - 7 nachfolgend gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von Endhohlprofilen mit kreisförmigem Querschnitt und einem Biegewinkel von 180°. Die gezeigten Hohlprofile sind lediglich Ausschnitte aus einem beliebig längeren Hohlprofil mit beispielsweise geraden oder weiteren gebogenen Profilabschnitten.
Fig. 1 zeigt wie aus einem ehemals geraden Ausgangshohlprofil 5, z.B. ein Strangpressprofil, mit einem biegefreundlichen Querschnitt mittels eines herkömmlichen Biegeverfahrens ein gebogenens Ausgangshohlprofil 10a (Fig. 2) hergestellt wird, wobei die dazugehörige Biegevorrichtung 1 eine das Ausgangshohlprofil 5 führenden Gleitschiene 2 und eine das Ausgangshohlprofil 5 biegende Biegerolle 4 enthält. Das Ausgangshohlprofil 5 wird hierzu mittels einer Spannbacke an die Biegerolle 4 fixiert, welche nachfolgend das fixierte Ausgangshohlprofil 5 mittels einer Rotationbewegung biegt. Das Ausgangshohlprofil 5 wird während des Biegevorganges in der Gleitschiene 2 in Richtung Biegerolle 4 geführt.
Das Ausgangshohlprofil 5 weist einen biegefreundlichen Querschnitt auf, welcher z.B. mittels eines Umformverfahrens oder direkt im Strangpressverfahren hergestellt wird. Die Herstellung des Ausgangshohlprofils 5 mit biegefreundlichem Querschnitt sowie der Biegeprozess sind unabhängig von nachfolgenden Verfahrensschritten, in welchen das gebogene Ausgangsprofil 10a in die Querschnittsform des Endhohlprofils 10g umgeformt wird. D.h. es können auch andere Biegeverfahren angewendet werden.
Das gebogene Ausgangshohlprofil 10a weist eine besonders bevorzugte biegefreundliche Querschnittsform auf, welche sich durch zwei spiegelsymmetrisch angeordnete Eindellungen 13a,b auszeichnet, wobei die Eindellungen 13a,b profilmittig eine Art Einschnürung ausbilden. Die spiegelsymmetrische Anordnung bezieht sich auf eine zur Biegeachse parallel verlaufenden Spiegelachse 14 bzw. -ebene. Das gebogene Ausgangshohlprofil 10a weist einen Aussenbogen mit einem Aussenbogenwandbereich 11 und einen Innenbogen mit einem Innenbogenwandbereich 12 auf, wobei die Innen- und Aussenbogenwandbereiche zweckmässig durch die zur Biegeachse parallel verlaufende, spannungsneutrale Linie bzw. Fläche 14, 65 gegenseitig abgegrenzt sind.
Fig. 3 zeigt die Anordnung eines Teils des IHU-Werkzeugs nach Abschluss eines ersten IHU-Prozesses. Das Hohlprofil 10e liegt in einer unteren Werkzeughälfte 22b. Die obere Werkzeughälfte ist aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Im Innenbogenwandbereich des Hohlprofils 10e ist ein Schieberelement 21 eingeführt, welches im Prozessverlauf in Richtung x der Biegungsöffnung um eine bestimmte Weglänge zurückgefahren wurde und nun an seiner Endposition angelangt ist, so dass der dem Schieberelement 21 anliegende Innenbogenwandbereich in Richtung x des zurückfahrenden Schieberelementes 21 expandieren und eine dem Endhohlprofil angenährte Kontur annehmen konnte. Das Schieberelement 21 weist in Draufsicht eine der Krümmung des Innenbogenwandbereichs entsprechende, zungenförmige Gestalt auf.
Zur Durchführung eines zweiten IHU-Prozesses wird das Hohlprofil 10e in ein zweites IHU-Werkzeug gelegt (Fig. 4a-c), welches die Endkontur sowohl des Innenals auch des Aussenbogenwandbereichs vorgibt. Der Aussenbogenwandbereich des Hohlprofils 10e ist bereits in die Kontur des Endhohlprofils umgeformt, welche durch die Werkzeugkavität wiedergegeben wird. Ferner ist der Innenbogenwandabschnitt im Bereich der stärksten Krümmung näherungsweise in die Querschnittsform des Endhohlprofils expandiert (Fig. 4a). Das Hohlprofil 10e wird nun durch Innenhochdruck in die Querschnittsform des Endhohlprofils 10g überführt (Fig. 4b-c). Aus Darstellungsgründen ist lediglich die untere Werkzeughälfte 32b des IHU-Werkzeugs schematisch gezeigt.
Fig. 5a-f zeigen schrittweise die Ausführung des erfindungsgemässen ersten IHU-Prozesses in Querschnittsansicht entlang der Linie A - A nach Fig. 3. Ein gebogenes Hohlprofil 10a (siehe auch Fig. 2) in einem biegefreundlichen Querschnitt gemäss Fig. 2 vorliegend wird in ein eine Kavität ausbildendes Umformwerkzeug 22 mit einer oberen 22a und unteren 22b Werkzeughälfte gelegt und geschlossen. Ein Schieberelement 21, welches die Kavitätswandung über wenigstens einen Wandbereich der Innenbogenwand ausbildet, wird vor, nach oder mit dem Schliessen der beiden Werkzeughälften 22a,b bis zum Innenbogenwandbereich des gebogenen Ausgangshohlprofils 10a vorgefahren. Die dem Innenbogenwandbereich des Ausgangshohlprofils 10a anliegende Kontur des Schieberelementes 21 ist gegengleich zur Kontur des konkaven Innenbogenwandbereichs. In vorliegender Ausführung entspricht die besagte Kontur des Schieberelements 21 im Querschnitt einer Torusfläche.
Nach Erstellung der Umformbereitschaft wird im Profilhohlraum 43 ein Innenhochdruck angelegt, wobei in einem ersten Schritt der Aussenbogenwandbereich des Hohlprofils 10b in die Kontur der Werkzeugkavität gepresst wird, wobei die Werkzeugkavität im Aussenbogenwandbereich die Kontur des Endhohlprofils aufweist.
Das Schieberelement 21 wird nachfolgend in Richtung x der Biegungsöffnung zurückgefahren, wobei der Innenbogenwandbereich durch den anhaltenden Innenhochdruck dem Schieberelement 21 nachgeschoben wird und sich zunehmends der Kontur des Endhohlprofils annähert oder diese annimmt (Fig. 5b-f).
Bei Erreichen der Endstellung des zurückgefahrenen Schieberelementes 21 wird der Innenhochdruck abgebaut, das im Innenbogenwandbereich der Endform angenäherte Hohlprofil 10e entformt (siehe auch Fig. 3, 4a) und in ein zweites IHU-Werkzeug 32 mit oberen und unteren Werkzeughälfte 32a, 32b eingeführt. Das zweite IHU-Werkzeug 32 weist die Kontur des Endhohlprofils 10g auf, d.h. sowohl im Innenbogenwandbereich, als auch im Aussenbogenwandbereich. In einem zweiten IHU-Schritt wird nun das Hohlprofil 10e, 10f in die Kontur des Endhohlprofils 10g geformt.
Selbstverständlich kann der Aussenbogenwandbereich 11, 61 auch erst im zweiten IHU-Prozessschritt in die Querschnittsform des Endhohlprofils 10g umgeformt werden. D.h. das mit dem Schieberelement 21 arbeitende IHU-Werkzeug 22, weist im Aussenbogenwandbereich 11 die Kontur des gebogenen Ausgangshohlprofils 10a oder eine Kontur, welche zwischen dem Ausgangshohprofils 10a und dem Endhohlprofil 10g liegt, auf.
Fig. 7 zeigt eine Aufsicht das in einen kreisförmigen Querschnitt endgeformte, gebogenen Endhohlprofil 10g (siehe auch Fig. 4c). Die Biegefläche bzw. -linie 65 bildet zugleich die Profilmittellinie aus und ist ferner Bezugsfläche für den Biegeradius Rm. Die Gitternetzlinien 63 geben den Materialfluss innerhalb der Profilwände wieder, wobei eng zusammen gerückte Gitternetzlinien für eine Akkumulation und weit entfernt voneinander angeordnete Gitternetzlinien für eine Verminderung des Wandmaterials stehen. Wie unschwer aus Fig. 7 zu erkennen ist, weist das Endhohlprofil 10g einen bemerkenswerten Materialfluss 66 (Pfeile) aus dem Innenbogenwandbereich 62 in Richtung x der Biegungsöffnung, d.h. in Richtung der beiden angrenzenden Profilschenkel 67a, 67b auf. Der genannte Materialfluss wird durch das vorgenannte Schieberelement 21 bewirkt, indem das Wandmaterial durch den anhaltenden Innenhochdruck und die Gegenkraft des Schieberelements 21 gezwungen wird entlang der anstossenden Oberfläche des Schieberelements 21 aus dem Innenbogenwandbereich 62 nach aussen in Richtung der Wandung der Profilschenkel 67a, 67b zu fliessen. Durch das Zurückfahren des Schieberelements 21 wird das Wandmaterial des Innenbogenwandbereichs 62 ferner auch kontrolliert in radialer Richtung unter Annäherung der Querschnittsform des Endhohlprofils 10g nach aussen geführt, wobei infolge des gleichzeitigen Materialflusses in Richtung Profilschenkel 67a, 67b eine Faltung im Innenbogenwandbereich 62 verhindert wird. Ferner kann durch das erfindungsgemässe Verfahren die Wandverdickung vermindert werden.
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung 50 hinsichtlich der Anwendungsbereiche von 90°-Biegungen an Rohrprofilen aus einer typischen Aluminiumlegierung in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Biegeradius und Wandstärke.
Auf der horizontalen Achse ist das Verhältnis mittlerer Biegeradius Rm zu Rohraussendurchmesser D und auf der vertikalen Achse das Verhältnis Rohraussendurchmesser D zu Wanddicke t aufgetragen. Die schraffierte Fläche 51 stellt den ausführbaren Bereich hinsichtlich einer 90° Biegung dar, wobei sich die Ausführbarkeit auf ein herkömmliches Biegeverfahren bezieht. Der Bereich jenseits der durch eine Gerade abgegrenzten schraffierten Fläche stellt den nicht ausführbaren Bereich dar, in welchem ein erfolgreicher Biegeprozess nicht mehr gewährleistet ist.
Weist beispielsweise ein zu biegendes Rohr einen Durchmesser D von 20 und eine Wanddicke von 1 auf, so lässt sich gemäss Fig. 8 am besagten Rohr eine 90°-Biegung mit einem Biegeradius von 40 durchführen, da das Verhältnis Rm/D 2 und das Verhältnis D/t 20 beträgt und der entsprechende Schnittpunkt somit im schraffierten Bereich liegt. Wählt man jedoch einen Biegeradius Rm von 30 bei gleichbleibenden Rohrabmessungen, so fällt der Schnittpunkt in einen nicht ausführbaren Bereich, d.h. beim Biegen ist mit einem Versagen des Rohres zu rechnen.
Mittels Computer-Simulationen konnte nun gezeigt werden, dass mit dem erfindungsgemässen Verfahren gebogene Rohre aus einer Aluminiumlegierungen hestellbar zu sein scheinen, welche Biegungen aufweisen die gemäss Fig. 8 im nichtausführbaren Bereich liegen. Ferner scheinen anhand von Computer-Simulationen mit besagtem Verfahren auch Biegungen möglich, deren Biegeradius gleich oder kleiner dem Rohrdurchmesser ist. So wurde beispielsweise in einer Computer-Simulation ein Rohr mit einem Durchmesser von 56 mm und einer Wanddicke von 2.5 mm mit einem Biegeradius von 40 mm erfolgreich mit erfindungsgemässen Verfahren gebogen. Der Punkt 52 wiedergibt die dazugehörigen Werte-Verhältnisse, wobei ersichtlich wird, dass Rohre mit besagten Abmessungen und Biegeradius mit herkömmlichen Biegeverfahren nicht befriedigend gebogen werden können.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von gebogenen Hohlkörpern (10g) mit Innen- (62) und Aussenbogenwandbereiche (61) ausbildenden Innen- und Aussenbogen, wobei ein Ausgangshohlkörper gebogen und mittels eines oder mehreren Innenhochdruckumform-(IHU)-Verfahrens in einem IHU-Werkzeug (22, 32) in seine Endquerschnittsform überführt wird, wobei der Ausgangshohlkörper wenigstens am Biegeabschnitt einen biegefreundlichen Querschnitt aufweist, in welchem Wandmaterial durch eine spezifische Querschnitts-Formgebung näher an der spannungsneutralen Fläche bezüglich Biegebbeanspruchung liegt als in der Endquerschnittsform,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das IHU-Werkzeug (22, 32) ein im Innenbogenwandbereich (62) des gebogenen Ausgangshohlkörpers (10a) beweglich angeordnetes Schieberelement (21) enthält, welches dem Innenbogenwandbereich (62) wenigstens teilflächig anliegt, und das Schieberelement (21) während des IHU-Prozesses aus dem Innenbogenwandbereich (62) in Richtung der Biegungsöffnung zurückgefahren wird, so dass der Innenbogenwandbereich (62) des gebogenen Ausgangshohlkörpers (10a, 10e) durch den Innenhochdruck in Richtung des zurückfahrenden Schieberelements (21) nachgeschoben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückfahren des Schieberelements (21) und der Innenhochdruck derart gesteuert sind, dass Wandmaterial entlang der Oberfläche des Schieberelementes (21) aus dem Innenbogenwandbereich (62) in Richtung der angrenzenden, biegeferne Wandzone (67a, 67b) des Hohlkörpers fliesst.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper im Aussenbogenwandbereich (61) in den Endquerschnitt umgeformt wird und nachfolgend das Schieberelement (21) aus dem Innenbogenwandbereich (62) zurückgefahren wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Ausgangshohlkörper im Innenbogenwandbereich (62) durch das zurückfahrende Schieberelement (21) in eine dem Endhohlkörper (10g) angenäherte oder diesem entsprechende Querschnittsform umgeformt wird, und der Hohlkörper mittels eines weiteren IHU-Prozesses in einem den Endquerschnitt des Endhohlkörpers (10g) wiedergebenden weiteren Umformwerkzeug zum Endhohlkörper (10g) umgeformt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Ausgangshohlkörper (10a) wenigstens im Innenbogenwandbereich (62) eine von aussen betrachtet konkave Eindellung aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Ausgangshohlkörper ein einfaches Hohlprofil ist, wobei die biegefreundliche Querschnittsform vorzugsweise zwei entgegengesetzte, eine Einschnürung ausbildende Eindellungen aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endhohlkörper (10g) ein einfaches Hohlprofil, vorzugsweise ein rohrförmiges Hohlprofil, insbesondere ein rohrförmiges Hohlprofil mit einem kreisförmigen oder ovalen Endquerschnitt, ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper ein rohrförmiges Hohlprofil aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist, und das Verhältnis B des mittleren Biegeradius Rm zum Rohraussendurchmesser D des gebogenen Endhohlkörpers im Bereich von:
    0,5 ≤ Rm / D ≤ 2 , insbesondere von: 0,7 ≤ Rm / D ≤ 1 liegt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegewinkel des gebogenen Endhohlkörpers im Bereich von 40° bis 180° (Winkelgrade), vorzugsweise im Bereich von 60° bis 180° und insbesondere im Bereich von 90° bis 180° liegt.
  10. Vorrichtung zum Umformen von gebogenen Ausgangshohlkörpern (10a) in eine Endquerschnittsform oder eine dem Endquerschnitt angenäherte Querschnittsform mittels eines Innenhochdruck-(IHU)-Verfahrens, wobei der Ausgangshohlkörper (10a) wenigstens am Biegeabschnitt einen biegefreundlichen Querschnitt aufweist, in welchem Wandmaterial durch eine spezifische Querschnitts-Formgebung näher an der spannungsneutralen Fläche bezüglich Biegebeanspruchung liegt als in der Endquerschnittsform, enthaltend ein den gebogenen Ausgangshohlkörper (10a) aufnehmendes IHU-Werkzeug (32),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das IHU-Werkzeug (32) ein am Innenbogenwandbereich (62) des gebogenen Ausgangshohlkörpers (10e) angeordnetes Schieberelement (21) enthält, und das Schieberelement (21) in Richtung der Biegungsöffnung zurückfahrbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug ein mehrteiliges Werkzeug mit einer oberen (32a) und unteren (32b) Werkzeughälfte und einem Schieberelement (21) ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberelement (21) wenigstens teilflächig dem Innenbogenwandbereich (62) stützend anliegt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Ausgangshohlkörper (10a) wenigstens im Innenbogenwandbereich (62) eine Eindellung aufweist und die dem Innenbogenwandbereich (62) des Ausgangshohlkörpers zugewandte Oberfläche des Schieberelements (21) eine konvexe Form aufweist, welche gegengleich zur Eindellung ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberelement (21) in Draufsicht von zungenförmiger Gestalt ist.
  15. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Ladeluftrohren für Verbrennungsmotoren, von Karosseriebauteilen, Motorenträger, Fahrwerkskomponenten, Bauteile für Abgasanlagen und Rohrleitungen aller Art.
EP02405154A 2002-03-01 2002-03-01 Verfahren zum Umformen eines gebogenen Ein-oder Mehrkammerhohlprofils mittels Innenhochdruck Withdrawn EP1340558A1 (de)

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