Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers

Abstract

 Ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers unter Verwendung eines aus randseitig miteinander verbundenen Platinen (2, 3) hergestellten Grundkörpers (1) ist gekennzeichnet durch die kombinierte Anwendung des Innenhochdruckumformverfahrens und des Tiefziehverfahrens. Damit lassen sich in vorteilhafter Weise mannigfaltig gestaltete Hohlkörper, auch solche mit größeren Innenquerschnitten ohne weiteres herstellen.

Beschreibung

[0001] Als eines der Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers ist beispielsweise das Innenhochdruckumformen bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben (DE-Z "Bänder Bleche Rohre" 6/1986, Seiten 117 - 120; DE-Z "Bleche Rohre Profile" 35 (1988) 3, Seiten 175 - 180; "Fortschrittsberichte" VDI Reihe 2 Nr. 142, VDI-Verlag; jeweils mit Querverweisen zu weiterführendem Schrifttum).

[0002] Das Innenhochdruckumformverfahren wird vorzugsweise zur Herstellung unterschiedlich geformter Hohlteile angewendet. Die Arbeitsweise ist dabei dergestalt, daß ein Werkstück-Rohling in eine Form gelegt, unter Zuhilfenahme eines geeigneten Hydraulik-Fluids mit hohem Innendruck beaufschlagt und ggf. unter gleichzeitger Beaufschlagung mit axialem Druck auf die Rohrwandung umgeformt wird. Axialdruck und Innendruck bewirken, daß sich der Werkstück-Rohling an die Innenkontur der Form anlegt. Dabei wird der Werkstoff in den plastischen Zustand versetzt, der während des gesamten Umformvorganges unter Berücksichtigung von Werkstoffverfestigung und etwaiger Werkzeugkräfte aufrechterhalten bleibt.

[0003] Da als Werkstück-Rohling regelmäßig Rohre (mit unterschiedlichem Durchmesser und Wandstärke) eingesetzt werden, ist trotz verschiedener bekannter Varianten dieses Herstellungsverfahrens nicht jede beliebige Werkstück-Endform erreichbar.

[0004] Dahingegend weiterführende Möglichkeiten eröffnen sich beispielsweise gemäß DE 40 17 072 A1 dadurch, daß der Werkstück-Rohling vor dem eigentlichen Innenhochdruckumformprozeß vorgeformt, nämlich gebogen wird. Eine weiterführende Flexibilität hinsichtlich der Formgebung des Werkstück-Rohlinges ist mit der Verfahrensweise gemäß DE 17 52 852 C3 erreichbar. Dort wird ein Verfahren zum Herstellen eines zwischen zwei vorher durch Schweißen miteinander verbundenen Platinen unterschiedlicher Härte ausgebildeten Kanalsystems beschrieben.

[0005] Die DE 18 07 269 C3 schließlich beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Hohlkörpers durch Hochdruckumformen unter Verwendung eines Aufblasnadelwerkzeuges, wobei als Werkstück-Rohling zwei randseitig miteinander verschweißte und vorher vorgeformte Blechteile dienen.

[0006] Zwar eröffnen sich mit den vorstehend abgehandelten Dokumenten aus der Patentliteratur eine Reihe von Möglichkeiten hinsichtlich der Formgebung von Werkstück-Rohlingen; dem Grad des durch das Innenhochdruckumformen möglichen Aufweitens sind aber Grenzen gesetzt, die sich beispielsweise aus der mechanischen Belastbarkeit der Schweißverbindungen ergeben.

[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Herstellungsverfahren in der Weise weiterzubilden, daß damit auch Hohlkörper größerer Innenquerschnitte hergestellt werden können.

[0008] Dies gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Werkzeug ist in Patentanspruch 5 angegeben.

[0009] Die Erfindung stellt sich somit als Kombination zweier Herstellungsverfahren, nämlich - Hochdruckumformen - und - Tiefziehen - dar. Dabei ist auch das Tiefziehen ein im Stand der Technik hinlänglich bekanntes und ausgereiftes Umformverfahren.

[0010] Zwar ist es bereits aus der eingangs erwähnten DE 17 52 852 C3 bekannt, bei der Herstellung eines Plattenwärmetauschers, insbesondere bei der Herstellung einer kalibriert aufgeweiteten Anschlußstelle desselben, das weitere Aufweiten einer Verengung der Anschlußstelle mittels eines in diese eingeführten Kalibrierdornes gegen im Bereich der Verengung außerhalb der Blechtafeln vorgesehene unterschiedliche mechanische Widerstände vorzunehmen. Als solche kommen beispielsweise Hemmkissen aus verschiedenen formbaren Materialien zum Einsatz. Der Gesamtverbund kann dann von Stützplatten umfaßt und durch Klemmkräfte zusammengehalten werden. Auch kann ein Hemmkissen durch eine starre Abstützung ersetzt werden.

[0011] Aus diesem Stand der Technik könnte somit im weitesten Sinne die Maßnahme abgeleitet werden, im Bereich der Schweißverbindung (hier durch Warmwalzen) eine Abstützung bzw. Verklemmung der verbundenen Blechplatinen während des Hochdruckumformens vorzusehen. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 hingegen ist durch diesen Stand der Technik nicht nahegelegt.

[0012] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1

einen Grundkörper eines herzustellenden Hohlkörpers in der Draufsicht,

Fig. 2

eine Schnittdarstellung gemäß Pfeile II in Fig. 1,

Fig. 3

eine Schnittdarstellung gemäß Pfeile III in Fig. 1 und

Fig. 4

eine schematisierte Teil-Darstellung eines Werkzeuges zur Herstellung des Hohlkörpers aus eingelegten, randseitig verschweißten Platinen.

[0013] In den Fig. 1 - 3 ist ein Grundkörper 1 eines herzustellenden Hohlkörpers gezeigt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Grundform für einen Fahrwerkslenker eines Kraftfahrzeuges handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich unter anderem auch zur Herstellung von Fahrwerk-Rahmenteilen, Motor- bzw. Getriebehilfsrahmen, Längs- und Querträger, Säulen, Schweller, Dachrahmen usw. als Teile oder Struktur einer Kraftfahrzeugkarosserie.

[0014] Zur Herstellung des besagten Grundkörpers 1 werden zwei Blechplatinen 2,3 gleicher oder unterschiedlicher Dicke bzw. Materialien mit indentischen Randabmessungen aufeinandergelegt und randseitig mittels Schweißverbindung 4, beispielsweise unter Zuhilfenahme des Laserstrahlschweißens, miteinander verbunden. Selbstverständlich kann auch jedes andere geeignete Schweißverfahren oder jede andere geeignete Verbindungsart (z. B. Löten, Kleben) angewendet werden. Bei der Herstellung der Platinen 2,3 werden gleichzeitig im dabei verwendeten Schneidwerkzeug durch geeignete Niederhalter Ausformungen 5,6 erzeugt, so daß ein Kanal 7 entsteht, der ein leichteres Eindringen der Hochdruckflüssigkeit beim späteren Umformvorgang ermöglicht. Dabei kann der Querschnitt dieses Kanales 7, wie die Figuren 2 und 3 zeigen, sich ohne weiteres von einer Einfüllöffnung 8 ausgehend in seinem weiteren Verlauf verjüngen.

[0015] Zum Einbringen der Hochdruckflüssigkeit kann, wie beispielsweise in der eingangs abgehandelten DE 40 17 072 A1 beschrieben, ein konischer Dorn/Lanze zum Einsatz kommen und an die Einfüllöffnung 8 angesetzt werden, wobei Ringwülste der Abdichtung dienen.

[0016] Der in der geschilderten Weise hergestellte Grundkörper 1 wird sonach für die Anwendung des Innenhochdruckumformprozesses in einer in Fig. 4 gezeigten Weise in ein entsprechendes Werkzeug eingelegt. Dieses besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem vertikal beweglichen (Pfeil 17) Werkzeugoberteil 9 und einem Werkzeugunterteil 10, deren sich gegenüberliegende Begrenzungsflächen 11, 12 entsprechend der gewünschten Form des späteren Hohlkörpers ausgeformt sind, also einen Formhohlraum bilden.

[0017] Ein relativ breiter Randbereich 13, der die Schweißverbindung 4 einschließt, liegt auf einem Ziehkissen 14 auf, dem ein vertikal beweglicher (Pfeil 15) Blechhalter 16 gegenübersteht. Dem Blechhalter 16 sind hier nicht gezeigte, bei Tiefziehpressen allerdings allgemein bekannte Hydraulikeinheiten zugeordnet, um einen im Verlaufe des Umformprozesses unterschiedlichen Blechhalterdruck auf die Platinen 2,3 ausüben zu können. Eine solche Blechhalterdruckregelung ist aber nicht in jedem Falle erforderlich. Dies kann z. B. von den verwendeten Platinenwerkstoffen oder sonstigen Randbedingungen abhängen.

[0018] Bezüglich der Blechhalterdruckregelung während des Umformvorganges kann beispielsweise auf den Inhalt der DE 37 44 177 C2 verwiesen werden, in der ein Verfahren zum Herstellen von Tiefziehteilen, insbesondere von Tiefziehblechen für Karosserieelemente von Kraftfahrzeugen, beschrieben ist. Im Verlaufe des Aufweitens der Platinen 2,3 zu einem Hohlkörper kann so durch ggf. mehrfache Anpassung des Blechhalterdruckes bewirkt werden, daß ein mehr oder weniger starker Materialeinlauf des Platinenwerkstoffes aus dem Randbereich 13 in den durch Werkzeugober- bzw. Unterteil 9,10 gebildeten Formhohlraum erfolgt.

[0019] Angewendet auf die vorliegende Erfindung erfolgt die Einleitung der Umformbewegung nicht durch einen vertikal beweglichen Stempel, der auf ein auf einer Matritze aufliegendes Tiefziehblech einwirkt, sondern dadurch, daß an die Einfüllöffnung 8 der bereits eingangs in Zusammenhang mit dem bekannten Stand der Technik (DE 40 17 072) angesprochene Anschluß (Dorn/Lanze) für die Hohlraumbeschlagung mit Hochdruckflüssigkeit angesetzt wird.

[0020] In Ziehkissen 14 bzw. Blechhalter 16 können aus der Tiefziehtechnik bekannte, beispielsweise wellenförmige Bremskonturen eingearbeitet sein, um ein kontrolliertes Abbremsen des nachfließenden Platinenwerkstoffes sicherstellen zu können. Es versteht sich, daß der Materialeinlauf in den Formhohlraum nur soweit erfolgt, als die randseitge Schweißverbindung 4 in jedem Falle noch im Bereich von Ziehkissen 14 und Blechhalter 16 verbleibt, so daß durch die Einspannung der Schweißnahtbereich nur minimal durch z. B. Zugkräfte beansprucht wird und es zu keiner Beschädigung der Schweißnahtverbindung 4 kommen kann.

[0021] Zusammenfassend läßt sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren unter bevorzugter Verwendung des vorstehend beschriebenen Werkzeuges im Detail durch folgende Schritte charakterisieren:

• Herstellen der beiden den Grundkörper 1 bildenden Platinen 2,3 mit Ausformungen 5,6,
• Fügen der Platinen 2,3 in deren Randbereich im Ausgangszustand durch insbesondere Laserschweißen,
• Einlegen des Grundkörpers 1 in das geöffnete Werkzeug,
• Absenken von Werkzeugoberteil 9 und Blechhalter 16,
• Ansetzen des Anschlusses (Dorn/Lanze) für die Hohlraumbeaufschlagung mit Hochdruckflüssigkeit an die Einfüllöffnung 8,
• Umformen (Hochdruckumformen mit gleichzeitigem Materialnachlauf aus dem eingespannten Randbereich 13 in den Fornhohlraum) des Grundkörpers 1 zu einem Hohlkörper,
• Öffnen von Werkzeugoberteil 9 und Blechhalter 16 sowie Entfernen des Hochdruckflüssigkeits-Anschlusses (Dorn/Lanze),
• Abtrennen des Hochdruckflüssigkeits-Anschlußbereiches (Einfüllöffnung 8) vom Hohlkörper, z. B. durch Sägen, Plasmaschneiden, Laserschneiden.

[0022] Letzteres könnte aber auch bei entsprechender Gestaltung von Werkzeug und Einfüllöffnung 8 noch vor dem Öffnen der Werkzeugteile dadurch geschehen, daß die anliegende Hochdruckflüssigkeit in geeigneter Weise für den Trennvorgang herangezogen wird.

[0023] Da der Hohlkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen wie z. B. unbeschichteter Stahl, verzinktes Blech, höherfeste Bleche oder auch Aluminium hergestellt sein kann und auch Platinen 2,3 unterschiedlicher Dicke verwendet werden können, sind die optimalen Verfahrensparameter (z. B. Blechhalterdruckregelung, Umformgeschwindigkeit usw.) unter Einbeziehung der beim Tiefziehverfahren einerseits und beim Hochdruckumformen andererseits verhandenen Erfahrungen anhand von Versuchen zu ermitteln. Denkbar wäre, bei entsprechenden Werkstoffeigenschaften die Platinen 2, 3 durch eine einzelne, gefaltete (180°) und am freien Randbereich verbundene (z. B. geschweißte) Platine zu bilden.

[0024] Auch wäre ohne weiteres denkbar, ein Werkzeug mit horizontal oder unter einem bestimmten Winkel sich zueinander bewegenden Werkzeugteilen zu verwenden.

[0025] Die die Hohlkörperkontur letztlich bestimmende Werkzeugform kann z. B. auch dreigeteilt sein (anstatt zweigeteilt - Werkzeugoberteil 9 und Werkzeugunterteil 10 - wie im Ausführungsbeispiel gezeigt).

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers unter Verwendung eines aus randseitig miteinander verbundenen Platinen (2,3) hergestellten Grundkörpers (1), gekennzeichnet durch die kombinierte Anwendung des Innenhochdruckumformverfahrens und des Tiefziehverfahrens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrenschritte:

- Herstellung der beiden den Grundkörper (1) bildenden Platinen (2,3),

- Fügen der Platinen (2,3) in deren Randbereich im Ausgangszustand mittels Schweißen,

- Einlegen des Grundkörpers (1) in eine geöffnete Werkzeugform,

- Schließen des Werkzeuges und Ansetzen eines Anschlusses (Dorn/Lanze) für die Hohlraumbeaufschlagung mit Hochdruckflüssigkeit an eine Platinen-Einfüllöffnung (8),

- Umformen des Grundkörpers (1) zu einem Hohlkörper,

- Öffnen des Werkzeuges und Entfernen des Hochdruckflüssigkeits-Anschlusses (Dorn/Lanze),

- Abtrennen des Hochdruckflüssigkeit-Anschlußbereiches (Einfüllöffnung 8) vom Hohlkörper.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Platinen (2,3) diese mit einen Kanal (7) bildenden Ausformungen (5,6) versehen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinen (2, 3) des Grundkörpers (1) durch eine gefaltete (180°) und am freien Randbereich verbundene einzelne Platine gebildet werden.

5. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus beweglichen und/oder stationären Werkzeugteilen (9, 10), deren sich gegenüberliegende Begrenzungsflächen (11,12) entsprechend der gewünschten Form des späteren Hohlkörpers ausgeformt sind, weiterhin bestehend aus einer Platinenhalterung (Ziehkissen 14, Blechhalter 16), die einen die Verbindungsstelle (Schweißverbindung 4) der Platinen (2,3) beinhaltenden Randbereich (13) des Grundkörpers (1) mit einer vorgebbaren Klemmkraft hält und schließlich bestehend aus einem mit Hochdruckflüssigkeit beaufschlagbaren und an die Platinen-Einfüllöffnung (8) ansetzbaren Anschluß (Dorn/Lanze).

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Blechhalter (16) den Blechhalterdruck während des Umformvorganges regelnde, an sich bekannte Hydraulikeinheiten zugeordnet sind.

Zeichnung