WO2014206981A1 - Werkzeug zum vorformen eines rohrs für ein anschliessendes innenhochdruckumformen, sowie verfahren zur herstellung eines solchen werkzeugs und zur herstellung eines bauteils durch innenhochdruckumformen - Google Patents

Werkzeug zum vorformen eines rohrs für ein anschliessendes innenhochdruckumformen, sowie verfahren zur herstellung eines solchen werkzeugs und zur herstellung eines bauteils durch innenhochdruckumformen Download PDF

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hydroforming
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Johann-Stefan Lerch
Thomas Schmolke
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Definitions

  • a tool for preforming a tube for subsequent hydroforming and methods of making such a tool and producing a component by hydroforming
  • the invention relates to a tool for preforming a metallic output tube part for subsequent hydroforming.
  • the invention further relates to a method for producing such a tool.
  • the invention further relates to a method for producing a tubular component by hydroforming.
  • hydroforming is a substantially metallic tube, hereinafter referred to as the output tube part, formed by applying a high internal pressure to a tubular member (hydroformed component).
  • a tube is generally understood to mean a longitudinally extending hollow body with a closed tube jacket made of a metallic material.
  • the starting tube part is inserted into the cavity (engraving) of a shaping hydroforming tool and, with the aid of a fluid introduced into the interior (for example a water-oil emulsion), is widened essentially transversely to the longitudinal axis, wherein the tube jacket of the outlet tube part bears against the cavity wall pressed and thereby shaped accordingly.
  • preforming is first necessary, wherein a preformed starting tube part for the subsequent hydroforming in the hydroforming tool is produced from the starting tube part.
  • the preforming has a considerable influence on the subsequent hydroforming and on the quality of the hydroformed component.
  • the invention has for its object to provide a tool for preforming a metallic output pipe part, which allows for the subsequent hydroforming optimal distribution of the pipe material.
  • the invention is further based on the object of specifying an optimized method for producing a tubular hydroforming component.
  • An inventive tool for preforming a metallic output tube part for subsequent hydroforming to produce a tubular hydroformed component has a plurality of relatively movable tool parts, which delimit between them (at least) a cavity for receiving and forming the output tube part.
  • the cavity has a contour which is derived both from the shape (or geometry) of the hydroformed component to be produced and adapted to the circumference of the starting tube part to be formed, such that each cavity cross section of this cavity perpendicular to a cavity longitudinal axis defined by the outlet tube part coincides with the in its cross-sectional circumference exactly on the circumference of the output tube part reduced cross-sectional shape of the (relative to the longitudinal axis) positionally identical IHU component cross-section.
  • the cross-sectional geometry of a cross-section is essentially composed of the shape or the cross-sectional shape and the circumference or the cross-sectional circumference, resulting in an associated surface or cross-sectional area.
  • the cavity of the tool according to the invention has a cavity longitudinal axis predetermined by the outlet tube part, this cavity longitudinal axis being substantially identical to the longitudinal axis of an inserted outlet tube part. According to the invention, at each point or at each location on this longitudinal axis of the cavity, the respective cavity cross-section has a reduced cross-sectional shape of the hydroformed component to be produced with respect to an IHU component cross-section at the same location on the longitudinal axis, but the respective cross-sectional circumference is exactly the same Scope of the output pipe part corresponds.
  • the circumference of the output pipe part thus determines at each point the scaling factor for the reduction of the cross-sectional shape of the respective hydroforming component cross-section (in which case the scaling factor is ⁇ 1).
  • the cavity of the tool according to the invention thus has a variable offset along its longitudinal axis of the cavity, with the respective offset dimension resulting from the scaling factor.
  • Each cross-section of a preformed with this tool output pipe part has in the subsequent hydroforming in an IHU tool along its circumference the same distance or a constant distance from the Kavticians- wall of the hydroforming tool.
  • an approximately uniform deformation and ironing of the tube material and thus an excellent use of material is achieved.
  • the hydroformed component produced in this way essentially has a uniform wall thickness.
  • the preforming of a starting tube part located in the cavity of the tool according to the invention takes place in particular such that at least one of the tool parts is moved relative to at least one of the other tool parts.
  • the design features for the cavity according to the invention relate primarily to a final shaping state of the cavity at the end of the forming process, wherein the tool parts in particular have the smallest possible distance from each other.
  • the contour of the cavity can be understood as the entirety of the geometric design features of the cavity wall. Since the cross-sectional circumference of each cavity cross section on the cavity longitudinal axis corresponds exactly to the circumference of the outlet tube part, a defined, exact and compression-free deformation or preforming of the outlet tube part takes place at each point. An indefinite shape is avoided.
  • a starting tube part preformed with the tool according to the invention has a substantially optimum preform and the associated optimum distribution of the tube material.
  • the tool according to the invention is a press-bound tool with a tool lower part and a tool upper part movable relative thereto.
  • the tool By raising and lowering the upper part of the tool, the tool can be opened and closed.
  • the forming or preforming of a starting tube part located in the cavity takes place when the tool is closed, this assuming the preform predetermined by the contour of the cavity.
  • a method according to the invention for producing a tool according to the invention for preforming a metallic starting tube part for subsequent hydroforming essentially comprises the following steps:
  • This method may include further steps and / or intermediate steps. It is preferably provided that steps a., B. and c, in particular automated, with a CAD program or the like, ie using a computer device, running.
  • An inventive method for producing a tubular-type hydroformed component by hydroforming comprises at least the following steps:
  • the individual steps and the devices or tools used for it are coordinated.
  • the proposed method may comprise further steps and / or intermediate steps, some of which will be explained in more detail below.
  • the starting tube part is pre-bent in a pre-forming step, substantially without changing any cross-section.
  • the bending or pre-bending leads to a workpiece longitudinal axis with an odd and preferably complex, but in particular kink-free, spatial course, which corresponds in particular at least approximately to the hydroformed component to be produced (as shown, for example, in EP 0 195 157 B1).
  • the pre-bending also serves to allow the pre-bent starting tube part to be inserted into the cavity of the preforming tool in the form of a mold.
  • the starting pipe part is preferably formed from an aluminum or a steel material.
  • the output tube part can also be formed from other materials (eg brass).
  • the output tube part has a circular or oval cross-section or a circular or oval cross-sectional shape (relative to the outer shape).
  • the output tube part can also have other cross-sectional shapes (for example a polygonal shape).
  • circumferential strains based on plastic material deformation are obtained, which are in particular in a range between 3% and 10%.
  • the circumferential strain at the tube ends may be larger and there, for example. Up to 10%, while the smaller circumferential strains in average pipe sections should be at least 3%.
  • a heat-treatment-free deformation is possible with circumferential strains in the stated range.
  • the deformation with a tool according to the invention allows material-dependent in part higher circumferential expansions or circumferential enlargements in hydroforming, as with the known from the prior art approaches.
  • the preformed output pipe part is inserted into the cavity of the hydroforming tool in such a way that it has the same distance to the cavity wall of the hydroforming tool at each point of its longitudinal axis over the respective cross-sectional circumference, ie. H. is surrounded by an equally wide gap, wherein the distance or the gap width can vary depending on the position of the respective cross section on the longitudinal axis.
  • the hydroforming tool may have suitable positioning elements.
  • the hydroformed component to be produced is, in particular, a motor vehicle component, such as, in particular, a body component (for example an inner reinforcement part) or an axle part (for example a longitudinal beam or cross member).
  • a preforming tool according to the invention and a method according to the invention Ren for the production of a tubular hydroformed component are thus preferably used for the production of a motor vehicle component.
  • Fig. 1 shows in a side view several stages of a tubular
  • FIG. 2 shows a sectional view of a preformed according to the prior art and inserted into the cavity of a hydroforming tool output pipe part before the hydroforming.
  • Fig. 3 shows a partial section of a tool according to the invention for
  • FIG. 4 shows a sectional view of a preformed with the inventive tool of FIG. 3 and inserted into the cavity of a hydroforming tool output pipe part before hydroforming.
  • FIG. 1 a shows a metallic outlet tube part or outlet tube piece 100.
  • the outlet tube part 100 has along its longitudinal axis L a constant circular cross-section (relative to the external shape) with the circumference U 1 and a uniform wall thickness.
  • the output tube part 100 is formed, for example, from an aluminum or a steel material.
  • the output pipe piece 100 serves as a workpiece, which is subsequently transformed to the shown in Fig. 1 c, hydroformed, tubular IHU component 120.
  • the starting pipe section 100 is first preformed, wherein only its cross-sectional shape is changed and adapted to the contour of the cavity of the hydroforming tool, as explained in more detail below.
  • Fig. 1 b shows the preformed output pipe section 1 10, which has a cross-sectional circumference U2.
  • the respective longitudinal axis is designated both for the output tube part 100 and for the preformed output tube part 1 10 and the hydroformed member 120 with L.
  • the hydroformed component 120 is formed along its longitudinal axis L with different cross-sectional geometries, so that the cross sections differ with respect to their cross-sectional shape and / or their cross-sectional circumference.
  • the circumferential strains achieved in hydroforming at the axial component ends of the hydroformed component 120 shown in FIG. 1c are approximately 10% and in the central region approximately 3%.
  • the hydroformed component 120 may have a complex, spatially multiply curved and / or curved longitudinal course, as shown, for example, in EP 0 195 157 B1.
  • the starting tube part 100 is first bent or pre-bent before preforming, as already explained above.
  • the following explanations relate analogously to this case.
  • FIG. 2 shows by way of example in a schematic sectional view at the point x of the longitudinal axis L (see FIG. 1) a preformed according to the prior art and in the cavity 330 of a multi-part hydroforming die 300 inserted output pipe part 1 10 'before the hydroforming.
  • the preformed outlet tube part 1 10 ' has, at least at the point shown, an approximated cross-sectional geometry to the hydroformed component 120 to be produced.
  • the cavity 230 of a tool 200 according to the invention for preforming the starting tube part 100 has both an outlet tube part derived from the shape of the hydroformed component 120 to be formed and the circumference U1 of the starting tube part 100 adapted contour on.
  • Fig. 3 shows an inventive tool 200 for preforming the output ⁇ pipe part 100 in a sectional view at x (see Fig. 1).
  • the built in a press tool 200 includes a tool base 220 and a thereto relatively movable upper tool part 210, which define in the closed state between the cavity 230 for receiving and forming the output tube part 100.
  • the cross-sectional geometry of the cavity 230 at the location shown results as previously explained.
  • the mobility of the upper tool part 210 is illustrated by the double arrow M.
  • the preforming process in a tool 200 according to the invention can be referred to as forming in the die, wherein this preforming can take place in particular without support pressure, but optionally also with support pressure and in particular with low support pressure (so-called pressure-assisted low-pressure preforming).
  • this preforming can take place in particular without support pressure, but optionally also with support pressure and in particular with low support pressure (so-called pressure-assisted low-pressure preforming).
  • the preformed outlet tube part 110 can be removed and subsequently inserted directly into the I HU tool 300 for hydroforming.
  • FIG. 4 shows in a sectional view at the point x the preformed with the inventive tool 200 and inserted into the cavity 330 of a hydroforming die 300 output pipe part 1 10 before the hydroforming.
  • the preformed outlet pipe part 1 10 is not applied to the Kavticianswandung 331 of the hydroforming die 300, but has over its entire cross-sectional circumference a constant distance from Kavticianswandung 331, so that between the tube shell of the preformed output tube part 1 10 and the Kavticianswandung 331 a circumferential and in the Substantially equal gap S is located.
  • the gap width of the gap S may vary along the longitudinal axis L, depending on the shape of the hydroformed member 120.
  • Tool for preforming a tube for subsequent hydroforming and method for producing such a tool and for producing a component by internal high-pressure forming

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (200) zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils (100) für ein anschließendes Innenhochdruckumformen zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils, mit mehreren zueinander relativbeweglichen Werkzeugteilen (210, 220), die zwischen sich eine formgebende Kavität (230) zur Aufnahme und Umformung des Ausgangsrohrteils (100) begrenzen. Es ist vorgesehen, dass die Kavität (230) eine sowohl von der Form des herzustellenden IHU-Bauteils abgeleitete als auch an den Umfang (U1) des umzuformenden Ausgangsrohrteils (100) angepasste Kontur aufweist, dergestalt, dass jeder zu einer durch das Ausgangsrohrteil (100) vorgegebenen Kavitätslängsachse (L) senkrechte Kavitätsquerschnitt mit der in ihrem Querschnittsumfang genau auf den Umfang des Ausgangsrohrteils (100) verkleinerten Querschnittsform des positionsgleichen IHU-Bauteilquerschnitts übereinstimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs (200) und ein Verfahren zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils mit einem solchen Werkzeug (200).

Description

Beschreibung
Werkzeug zum Vorformen eines Rohrs für ein anschließendes Innenhochdruckumformen, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs und zur Herstellung eines Bauteils durch Innenhochdruckumformen
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils für ein anschließendes Innenhochdruckumformen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines rohrartigen Bauteils durch Innenhochdruckumformen.
Beim Innenhochdruckumformen (IHU) wird ein im Wesentlichen metallisches Rohr, im Folgenden als Ausgangsrohrteil bezeichnet, durch Aufbringen eines hohen Innendrucks zu einem rohrartigen Bauteil (IHU-Bauteil) umgeformt. Unter einem Rohr wird allgemein ein sich längserstreckender Hohlkörper mit einem geschlossenen Rohrmantel aus einem metallischen Material verstanden. Das Ausgangsrohrteil wird hierzu in die Kavität (Gravur) eines formgebenden IHU-Werkzeugs eingelegt und mit Hilfe eines in das Innere eingeleiteten Fluids (bspw. eine Wasser-Öl-Emulsion) im Wesentlichen quer zur Längsachse aufgeweitet, wobei der Rohrmantel des Ausgangsrohrteils gegen die Kavitätswandung gedrückt und hierbei entsprechend geformt wird.
Vielfach und insbesondere bei einer komplexen Form des IHU-Bauteils ist zunächst ein Vorformen erforderlich, wobei aus dem Ausgangsrohrteil ein vorgeformtes Ausgangsrohrteil für das anschließende Innenhochdruckumformen im IHU-Werkzeug erzeugt wird. Das Vorformen hat erheblichen Einfluss auf das nachfolgende Innenhochdruckumformen und auf die Qualität des IHU-Bauteils.
Zum Vorformen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahrensweisen und Vorrichtungen bekannt, wozu auf die Patentschriften DE 10 2006 028 099 AI DE 101 48 451 C2, DE 199 46 010 B4 und EP 0 195 157 B1 verwiesen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils anzugeben, welches im Hinblick auf ein anschließendes Innenhochdruckumformen eine optimale Verteilung des Rohrmaterials ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils anzugeben.
Die Lösung gelingt durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den jeweils abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils für ein anschließendes Innenhochdruckumformen zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils weist mehrere zueinander relativbewegliche Werkzeugteile auf, die zwischen sich (wenigstens) eine Kavität zur Aufnahme und Umformung des Ausgangsrohrteils begrenzen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kavität eine sowohl von der Form (bzw. Geometrie) des herzustellenden IHU-Bauteils abgeleitete als auch an den Umfang des umzuformenden Ausgangsrohrteils angepasste Kontur aufweist, dergestalt, dass jeder zu einer durch das Ausgangsrohrteil vorgegebenen Kavitätslängsachse senkrechte Kavitätsquerschnitt dieser Kavität mit der in ihrem Querschnittsumfang genau auf den Umfang des Ausgangsrohrteils verkleinerten Querschnittsform des (bezogen auf die Längsachse) positionsgleichen IHU- Bauteilquerschnitts übereinstimmt.
Mit anderen Worten formuliert heißt dies, dass entlang einer durch das Ausgangs¬ rohrteil vorgegebenen Kavitätslängsachse die Querschnittsform jedes Kavitätsquer- schnitts der verkleinerten Querschnittsform des bezüglich der Längsachse positionsgleichen bzw. ortsgleichen IHU-Bauteilquerschnitts entspricht, wobei jedoch der Querschnittsumfang jedes Kavitätsquerschnitts jeweils genau mit dem Umfang des Ausgangsrohrteils übereinstimmt.
Die Querschnittsgeometrie eines Querschnitts setzt sich im Wesentlichen aus der Form bzw. der Querschnittsform und dem Umfang bzw. dem Querschnittsumfang zusammen, woraus sich eine zugehörige Fläche bzw. Querschnittsfläche ergibt. Die Kavität des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist eine durch das Ausgangsrohrteil vorgegebene Kavitätslängsachse auf, wobei diese Kavitätslängsachse im Wesentlichen mit der Längsachse eines eingelegten Ausgangsrohrteils identisch ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an jeder Stelle bzw. an jedem Ort auf dieser Kavitätslängsachse der jeweilige Kavitätsquerschnitt eine verkleinerte Querschnittsform des herzustellenden IHU-Bauteils bezüglich eines IHU-Bauteilquerschnitts an der selben Stelle auf der Längsachse aufweist, wobei jedoch der jeweilige Quer- schnittsumfang genau dem Umfang des Ausgangsrohrteils entspricht. Der Umfang des Ausgangsrohrteils bestimmt somit an jeder Stelle den Skalierungsfaktor für die Verkleinerung der Querschnittsform des jeweiligen IHU-Bauteilquerschnitts (wobei gilt, dass der Skalierungsfaktor < 1 ist). Gegenüber dem herzustellenden IHU-Bauteil bzw. gegenüber der Kavität des formgebenden IHU-Werkzeugs weist die Kavität des erfindungsgemäßen Werkzeugs entlang ihrer Kavitätslängsachse somit einen variablen Offset auf, wobei sich das jeweilige Off setmaß aus dem Skalierungsfaktor ergibt.
Jeder Querschnitt eines mit diesem Werkzeug vorgeformten Ausgangsrohrteils hat beim anschließenden Innenhochdruckumformen in einem IHU-Werkzeug entlang seines Umfangs den gleichen Abstand bzw. einen konstanten Abstand zur Kavitäts- wandung des IHU-Werkzeugs. Dadurch wird beim Innenhochdruckumformen über den Umfang betrachtet eine annähernd gleichmäßige Umformung und Abstreckung des Rohrmaterials und somit eine hervorragende Materialnutzung erzielt. Hieraus ergeben sich viele Vorteile für den IHU-Prozess und für die Eigenschaften des IHU- Bauteils. Bspw. weist das derart hergestellte IHU-Bauteil im Wesentlichen eine gleichmäßige Wanddicke auf.
Die Vorformung eines in der Kavität des erfindungsgemäßen Werkzeugs befindlichen Ausgangsrohrteils erfolgt insbesondere derart, dass wenigstens eines der Werkzeugteile relativ zu wenigstens einem der anderen Werkzeugteile bewegt wird. Die erfindungsgemäßen Gestaltungsmerkmale für die Kavität beziehen sich vorrangig auf einen finalen formgebenden Zustand der Kavität am Ende des Umformvorgangs, wobei die Werkzeugteile insbesondere den geringstmöglichen Abstand zueinander aufweisen. Die Kontur der Kavität (bzw. die Kavitätskontur) kann als Gesamtheit der geometrischen Gestaltungsmerkmale der Kavitätswandung aufgefasst werden. Da der Querschnittsumfang jedes Kavitätsquerschnitts auf der Kavitätslängsachse genau dem Umfang des Ausgangsrohrteils entspricht, erfolgt an jeder Stelle eine definierte, exakte und stauchungsfreie Umformung bzw. Vorformung des Ausgangsrohrteils. Eine unbestimmte Formgebung wird vermieden. Im Hinblick auf das nachfolgende Innenhochdruckumformen weist ein mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug vorgeformtes Ausgangsrohrteil eine im Wesentlichen optimale Vorform und damit einhergehende optimale Verteilung des Rohrmaterials auf.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug um ein pressengebundenes Werkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem hierzu relativbeweglichen Werkzeugoberteil handelt. Durch Anheben und Absenken des Werkzeugoberteils kann das Werkzeug geöffnet und geschlossen werden. Durch Aufbringen einer Presskraft erfolgt bei geschlossenem Werkzeug die Umformung bzw. Vorformung eines in der Kavität befindlichen Ausgangsrohrteils, wobei dieses die durch die Kontur der Kavität vorgegebene Vorform annimmt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils für ein anschließendes Innenhochdruckumformen umfasst im Wesentlichen folgende Schritte:
- a. Bereitstellen der die Form (Gesamtform) des herzustellenden IHU-Bauteils bestimmenden Geometriedaten oder alternativ der Geometriedaten der Kavität des IHU-Werkzeugs;
- b. Bestimmen des Umfangs und gegebenenfalls auch der Querschnittsform des zu verwendenden Ausgangsrohrteils, wozu bspw. der kleinste Querschnitt des IHU- Bauteils betrachtet und anhand dessen Querschnittsumfang, insbesondere abzüglich 3 %, der Umfang des Ausgangsrohrteils bestimmt wird;
- c. Ermitteln der für das Vorformen des Ausgangsrohrteils erforderlichen Kontur für eine formgebende Kavität mit Hilfe von Führungsschnitten, wozu entlang der Längsachse des IHU-Bauteils (oder alternativ entlang der Längsachse der Kavität des IHU- Werkzeugs) zunächst Querschnitte erzeugt und diese dann jeweils bezüglich ihres Umfangs auf den ermittelten Umfang des Ausgangsrohrteils verkleinert bzw. skaliert werden, wobei im Weiteren die so erhaltenen Führungsschnitte zusammengeführt werden können, um hieraus die Kontur der Kavität zu bestimmen; und - d. Fertigen des Werkzeugs mit einer diese Kontur aufweisenden Kavität.
Dieses Verfahren kann weitere Schritte und/oder Zwischenschritte aufweisen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schritte a., b. und c, insbesondere automatisiert, mit einem CAD-Programm oder dergleichen, also mit Hilfe einer Computereinrichtung, ausgeführt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils durch Innenhochdruckumformen umfasst zumindest folgende Schritte:
- Bereitstellen eines Ausgangsrohrteils, wobei es sich insbesondere um ein von einem Halbzeug abgelängtes Ausgangsrohrteilstück mit einer definierten axialen Länge handelt;
- Vorformen und insbesondere knickfreies Vorformen des Ausgangsrohrteils in einem erfindungsgemäßen Werkzeug zum Vorformen; und
- Innenhochdruckumformen des vorgeformten Ausgangsrohrteils in einem IHU- Werkzeug.
Die einzelnen Schritte und die dafür verwendeten Vorrichtungen bzw. Werkzeuge sind aufeinander abgestimmt. Das vorgeschlagene Verfahren kann weitere Schritte und/oder Zwischenschritte aufweisen, von denen einige nachfolgend noch näher erläutert werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Ausgangsrohrteil in einem dem Vorformen vorausgehenden Schritt, im Wesentlichen ohne Veränderung irgendeines Querschnitts, vorgebogen wird. Das Biegen bzw. Vorbiegen führt zu einer Werkstück-Längsachse mit einem ungeraden und vorzugsweise komplexen, jedoch insbesondere knickfreien, räumlichen Verlauf, der insbesondere zumindest annähernd dem herzustellenden IHU-Bauteil entspricht (wie bspw. in der EP 0 195 157 B1 gezeigt). Das Vorbiegen dient unter anderem auch dazu, dass das vorgebogene Ausgangsrohrteil formfolgend in die Kavität des Werkzeugs zum Vorformen eingelegt werden kann.
Das Ausgangsrohrteil ist bevorzugt aus einem Aluminium- oder einem Stahlmaterial gebildet. Das Ausgangsrohrteil kann jedoch auch aus anderen Materialien (bspw. Messing) gebildet sein. Bevorzugt weist das Ausgangsrohrteil einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt bzw. eine kreisrunde oder ovale Querschnittsform (bezogen auf die Außenform) auf. Das Ausgangsrohrteil kann auch andere Querschnittsformen (bspw. eine Polygonform) aufweisen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass beim Innenhochdruckumformen im IHU- Werkzeug über der Längsachse des vorgeformten Ausgangsrohrteils unterschiedliche auf plastischer Materialverformung beruhende Umfangsdehnungen erzielt werden, die insbesondere in einem Bereich zwischen 3 % und 10 % liegen. Typischerweise kann die Umfangsdehnung an den Rohrenden größer ausfallen und dort bspw. bis zu 10 % betragen, während die geringeren Umfangsdehnungen in mittleren Rohrabschnitten wenigstens 3 % betragen sollten. Insbesondere in Kombination mit den vorausgehend genannten Materialien ist bei Umfangsdehnungen in dem genannten Bereich eine wärmebehandlungsfreie Umformung möglich. Die Verformung mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug ermöglicht werkstoffabhängig zum Teil höhere Umfangsdehnungen bzw. Umfangsvergrößerungen beim Innenhochdruckumformen, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen.
Bevorzugter Weise wird das vorgeformte Ausgangsrohrteil derart in die Kavität des IHU-Werkzeugs eingelegt, dass dieses an jeder Stelle seiner Längsachse über den jeweiligen Querschnittsumfang den gleichen Abstand zur Kavitätswandung des IHU- Werkzeugs aufweist, d. h. von einem gleichbreiten Spalt umgeben ist, wobei der Abstand bzw. die Spaltbreite abhängig von der Position des jeweiligen Querschnitts auf der Längsachse variieren kann. Dadurch wird beim Innenhochdruckumformen über den Umfang betrachtet eine annähernd gleichmäßige Umformung und Abstreckung des Rohrmaterials und somit eine hervorragende Materialnutzung erzielt, wie obenstehend bereits erläutert. Das IHU-Werkzeug kann geeignete Positionierelementen aufweisen.
Bei dem herzustellenden IHU-Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeugbauteil, wie insbesondere eine Karosseriebauteil (bspw. ein Innenverstärkungs- teil) oder ein Achsteil (bspw. ein Längsträger oder Querträger). Sowohl ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Vorformen als auch ein erfindungsgemäßes Verfah- ren zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils werden somit bevorzugt zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder die nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
Fig. 1 zeigt jeweils in einer Seitenansicht mehrere Stadien eines rohrartigen
Werkstücks beim Herstellen eines IHU-Bauteils.
Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung ein gemäß dem Stand der Technik vorgeformtes und in die Kavität eines IHU-Werkzeugs eingelegtes Ausgangsrohrteil vor dem Innenhochdruckumformen.
Fig. 3 zeigt einen Teilausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Werkzeug zum
Vorformen eines Ausgangsrohrteils.
Fig. 4 zeigt in einer Schnittdarstellung ein mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug aus Fig. 3 vorgeformtes und in die Kavität eines IHU-Werkzeugs eingelegtes Ausgangsrohrteil vor dem Innenhochdruckumformen.
Fig. 1 a zeigt ein metallisches Ausgangsrohrteil bzw. Ausgangsrohrstück 100. Das Ausgangsrohrteil 100 weist entlang seiner Längsachse L einen konstant kreisrunden Querschnitt (bezogen auf die Außenform) mit dem Umfang U1 und einer gleichmäßigen Wanddicke auf. Das Ausgangsrohrteil 100 ist bspw. aus einem Aluminium- oder einem Stahlmaterial gebildet.
Das Ausgangsrohrstück 100 dient als Werkstück, welches nachfolgend zu dem in Fig. 1 c gezeigten, innenhochdruckumgeformten, rohrartigen IHU-Bauteil 120 umgeformt wird. Hierzu wird das Ausgangsrohrstück 100 zunächst vorgeformt, wobei lediglich dessen Querschnittsform verändert und an die Kontur der Kavität des IHU- Werkzeugs angepasst wird, wie nachfolgend noch näher erläutert. Fig. 1 b zeigt das vorgeformte Ausgangsrohrstück 1 10, das einen Querschnittsumfang U2 aufweist. Die jeweilige Längsachse ist sowohl für das Ausgangsrohrteil 100 als auch für das vorgeformte Ausgangsrohrteil 1 10 und das IHU-Bauteil 120 mit L bezeichnet.
Das IHU-Bauteil 120 ist entlang seiner Längsachse L mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien ausgebildet, so dass sich die Querschnitte hinsichtlich ihrer Querschnittsform und/oder ihres Querschnittsumfangs unterscheiden. Beispielhaft liegen die beim Innenhochdruckumformen erzielten Umfangsdehnungen an den axialen Bauteilenden des in Fig. 1c gezeigten IHU-Bauteil 120 bei ca. 10 % und im mittleren Bereich bei ca. 3 %.
Das IHU-Bauteil 120 kann abweichend zu dem in Fig. 1 c gezeigten Beispiel einen komplexen, räumlich mehrfach gebogenen und/oder gekrümmten Längsverlauf aufweisen, wie bspw. in der in der EP 0 195 157 B1 gezeigt. Insbesondere für diesen Fall kann vorgesehen sein, dass das Ausgangsrohrteil 100 vor dem Vorformen zunächst gebogen bzw. vorgebogen wird, wie obenstehend bereits darlegt. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich in analoger Weise auch auf diesen Fall.
Fig. 2 zeigt beispielhaft in einer schematischen Schnittansicht an der Stelle x der Längsachse L (siehe Fig. 1 ) ein gemäß dem Stand der Technik vorgeformtes und in die Kavität 330 eines mehrteiligen IHU-Werkzeugs 300 eingelegtes Ausgangsrohrteil 1 10' vor dem Innenhochdruckumformen. Das vorgeformte Ausgangsrohrteil 1 10' weist, zumindest an der gezeigten Stelle, eine an das herzustellende IHU-Bauteil 120 angenäherte Querschnittsgeometrie auf. Beim Innenhochdruckumformen wird der Rohrmantel des vorgeformten Ausgangsrohrteils 1 10' gegen die Kavitätswandung 331 gedrückt und hierbei entsprechend der Kontur der Kavitätswandung 331 geformt, wie eingangs erläutert.
Während des Innenhochdruckumformens kommt es in dem mit A gekennzeichneten Eckbereich zu einer starken Umformung des vorgeformten Ausgangsrohrteils 1 10', was mit einer starken Ausdünnung des Mantelmaterials und gegebenenfalls mit der Entstehung eines Risses bzw. eines Reißers einhergeht, wohingegen in dem mit B gekennzeichneten Bereich nur eine geringe Umformung stattfindet. Das hergestellte IHU-Bauteil 120 weist daher entlang seines Umfangs unterschiedliche Wanddicken auf, womit diverse Nachteile einhergehen. Im Weiteren wird hierzu auch auf die entsprechenden Erläuterungen im Stand der Technik hingewiesen (siehe z. ES. DE 10 2006 028 099 A1 , Abs. [0061] und [0062], sowie DE 199 46 010 B4, Abs. [0042], [0043], [0052] und [0053]).
Zur Behebung der mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile weist die Kavität 230 eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 200 (siehe Fig. 3) zum Vorformen des Ausgangsrohrteils 100 sowohl eine von der Form des herzustellenden IHU- Bauteils 120 abgeleitete als auch an den Umfang U1 des umzuformenden Ausgangsrohrteils 100 angepasste Kontur auf. Hierzu ist vorgesehen, dass entlang einer durch das Ausgangsrohrteil 100 vorgegebenen Kavitätslängsachse L die Querschnittsform jedes Kavitätsquerschnitts jeweils der verkleinerten Querschnittsform des positionsgleichen IHU-Bauteilquerschnitts entspricht, wobei jedoch der Umfang jedes Kavitätsquerschnitts jeweils genau mit dem Umfang U1 des Ausgangsrohrteils 100 übereinstimmt.
Dies ergibt sich anschaulich aus Fig. 1. An der Stelle x auf der Längsachse L ergibt sich, wie mit den Pfeilen veranschaulicht, die Querschnittsgeometrie für das vorgeformte Ausgangsrohrteil 1 10, wobei diese Querschnittsgeometrie im Wesentlichen mit der Querschnittsgeometrie der formgebenden Kavität 230 des vorformenden Werkzeugs 200 identisch ist, aus der Querschnittsform des IHU-Bauteils 120 an der selben Stelle x und aus dem Umfang U1 des Ausgangsrohrteils 100, so dass gilt: U1 = U2. Dies gilt analog für jede andere Stelle auf der Längsachse L. Im allgemeinen gilt, dass die Geometrie des vorgeformtes Ausgangsrohrteils 1 10 im Wesentlichen mit der Kavitätsgeometrie 230 des vorformenden Werkzeugs 200 identisch ist.
Somit stimmt jeder zu einer durch das Ausgangsrohrteil 100 vorgegebenen Kavitätslängsachse L senkrechte Kavitätsquerschnitt der Kavität 230 mit der in ihrem Quer- schnittsumfang genau auf den Umfang des Ausgangsrohrteils 100 verkleinerten Querschnittsform des positionsgleichen IHU-Bauteilquerschnitts überein bzw. ist hiermit identisch.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 200 zum Vorformen des Ausgangs¬ rohrteils 100 in einer Schnittdarstellung an der Stelle x (siehe Fig. 1 ). Das in einer Presse eingebaute Werkzeug 200 umfasst ein Werkzeugunterteil 220 und ein hierzu relativbewegliches Werkzeugoberteil 210, die im geschlossenen Zustand zwischen sich die Kavität 230 zur Aufnahme und Umformung des Ausgangsrohrteils 100 begrenzen. Die Querschnittsgeometrie der Kavität 230 an der gezeigten Stelle ergibt sich wie vorausgehend erläutert. Die Bewegbarkeit des Werkzeugoberteils 210 ist mit dem Doppelpfeil M veranschaulicht.
Zum Vorformen wird das Ausgangsrohrteil 100 bei geöffnetem Werkzeug 200 in die Kavität 230 eingelegt. Anschließend wird das Werkzeug 200 durch Absenken des Werkzeugoberteils 210 geschlossen, wobei durch Aufbringen einer Presskraft das in der Kavität 230 befindliche Ausgangsrohrteil 100 ohne Umfangsveränderung (d. h.: U2 = U1 ) zu dem vorgeformten Ausgangsrohteil 1 10 umgeformt wird. Da die Kontur der Kavität 230 genau an den Umfang des Ausgangsrohteils 1 10 angepasst ist, erfolgt sowohl an der gezeigten Stelle als auch an jeder anderen Stelle eine definierte, exakte und stauchungsfreie Vorformung des Ausgangsrohrteils 100.
Der Vorformvorgang in einem erfindungsgemäßen Werkzeug 200 kann als Umformen im Gesenk bezeichnet werden, wobei dieses Vorformen insbesondere ohne Stützdruck, gegebenenfalls aber auch mit Stützdruck und insbesondere mit niedrigem Stützdruck (so genanntes druckgestütztes Low-Pressure-Vorformen) erfolgen kann. Nach öffnen des Werkzeugs 200 kann das vorgeformte Ausgangsrohrteil 1 10 entnommen und nachfolgend direkt in das I HU -Werkzeug 300 zum Innenhochdruck- umformen eingelegt werden.
Fig. 4 zeigt in einer Schnittdarstellung an der Stelle x das mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 200 vorgeformte und in die Kavität 330 eines IHU-Werkzeugs 300 eingelegte Ausgangsrohrteil 1 10 vor dem Innenhochdruckumformen. Das vorgeformte Ausgangsrohrteil 1 10 liegt nicht an der Kavitätswandung 331 des IHU-Werkzeugs 300 an, sondern hat über seinen gesamten Querschnittsumfang einen gleichbleibenden Abstand zur Kavitätswandung 331 , so dass sich zwischen dem Rohrmantel des vorgeformten Ausgangsrohrteils 1 10 und der Kavitätswandung 331 ein umlaufender und im Wesentlichen gleichbreiter Spalt S befindet. Daher wird das vorgeformte Aus¬ gangsrohrteil 1 10 beim Innenhochdruckumformen im Wesentlichen gleichmäßig auf¬ geweitet und verformt, woraus eine gleichmäßige Wanddicke über dem Umfang re¬ sultiert. Über die Spaltbreite des Spalts S wird die beim Innenhochdruckumformen an dieser axiaien Stelle zu erzielende plastische Umfangsdehnung vorgegeben. Die Spaltbreite des Spalts S kann, abhängig von der Form des IHU-Bauteils 120, entlang der Längsachse L variieren.
Bezugszeichenliste
Werkzeug zum Vorformen eines Rohrs für ein anschließendes Innenhochdruckum- formen, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs und zur Herstellung eines Bauteils durch Innenhochd ruckumformen
100 Ausgangsrohrteil
1 10 vorgeformtes Ausgangsrohrteil
120 IHU-Bauteil
200 Werkzeug zum Vorformen
210 Werkzeugoberteil
220 Werkzeugunterteil
230 Kavität
231 Kavitätswandung
300 IHU-Werkzeug
330 Kavität
331 Kavitätswandung
A Bereich
B Bereich
L Längsachse
M Öffnungs- / Schließbewegung
S Spalt
T Trennebene
U1 Umfang des Ausgangsrohrteils
U2 Umfang des vorgeformten Ausgangsrohrteils,
bzw. Querschnittsumfang des Kavitätsquerschnitts an der selben Stelle
X Position (bzw. Stelle) auf der Längsachse

Claims

Patentansprüche Werkzeug zum Vorformen eines Rohrs für ein anschließendes Innenhochdruckum- formen, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs und zur Herstellung eines Bauteils durch Innenhochdruckumformen
1. Werkzeug (200) zum Vorformen eines metallischen Ausgangsrohrteils (100) für ein anschließendes Innenhochdruckumformen zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils (120), mit mehreren zueinander relativbeweglichen Werkzeugteilen (210, 220), die zwischen sich eine formgebende Kavität (230) zur Aufnahme und Umformung des Ausgangsrohrteils (100) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (230) eine sowohl von der Form des herzustellenden IHU-Bauteils (120) abgeleitete als auch an den Umfang (U1) des umzuformenden Ausgangsrohrteils (100) angepasste Kontur aufweist, dergestalt, dass jeder zu einer durch das Ausgangsrohrteil (100) vorgegebenen Kavitätslängsachse (L) senkrechte Kavitätsquerschnitt mit der in ihrem Querschnittsumfang genau auf den Umfang des Ausgangsrohrteils (100) verkleinerten Querschnittsform des positionsgleichen IHU-Bauteilquerschnitts übereinstimmt.
2. Werkzeug (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein pressengebundenes Werkzeug (200) mit einem Werkzeug unterteil (220) und einem hierzu relativbeweglichen Werkzeugoberteil (210) handelt.
3. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs (200) gemäß Anspruch 1 oder 2, mit folgenden Schritten:
a. Bereitstellen der die Form des herzustellenden IHU-Bauteils (120) bestim- menden Geometriedaten;
Bestimmen des Umfangs des zu verwendenden Ausgangsrohrteils (100);
Ermitteln der für das Vorformen des Ausgangsrohrteils (100) erforderlichen Kontur für eine formgebende Kavität (230) mit Hilfe von Führungsschnitten, wozu entlang der Längsachse (L) des IHU-Bauteils (120) zunächst Querschnitte erzeugt und diese dann bezüglich ihres Umfangs auf den ermittelten Umfang des Ausgangsrohrteils (100) verkleinert werden; und
Fertigen des Werkzeugs (200) mit einer diese Kontur aufweisenden Kavität (230).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a., b. und c, insbesondere automatisiert, mit einem CAD- Programm ausgeführt werden.
5. Verfahren zur Herstellung eines rohrartigen IHU-Bauteils (120) durch Innen- hochd ruckumformen, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Ausgangsrohrteils (100);
- Vorformen des Ausgangsrohrteils (100) in einem Werkzeug (200) gemäß Anspruch 1 oder 2; und
- Innenhochdruckumformen des vorgeformten Ausgangsrohrteils (1 10) in einem IHU-Werkzeug (300).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsrohrteil (100) in einem dem Vorformen vorausgehenden Schritt zunächst gebogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsrohrteil (100) aus einem Aluminium- oder einem Stahlmaterial gebildet ist und insbesondere einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt aufweist.
8. Verfahren (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Innenhochdruckumformen über der Längsachse (L) des vorgeformten Ausgangsrohrteils (1 10) unterschiedliche Umfangsdehnungen erzielt werden, die insbesondere in einem Bereich zwischen 3 % und 10 % liegen.
9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeformte Ausgangsrohrteil (1 10) derart in die Kavität (330) des IHU- Werkzeugs (300) eingelegt wird, dass dieses an jeder Stelle seiner Längsachse (L) über den jeweiligen Querschnittsumfang den gleichen Abstand (S) zur Kavitätswandung (331 ) aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem herzustellenden IHU-Bauteil (120) um ein Kraftfahrzeugbauteil handelt.
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