DE10148451C2 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers und Vorform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers durch Innenhochdruckumformen aus einer Vorform, welche über ihre Länge einen definierten Wanddickenverlauf aufweist, wobei die Vorform in einer druckfesten Form ange­ ordnet und durch Druckerhöhung in der Form an die Wand der Form angeformt wird.

Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern durch Innenhoch­ druckumformen sind seit langem bekannt. Bei diesen Verfah­ ren wird an einer Innen- oder Außenseite eines dünnwandi­ gen Werkstückes ein Druck aufgebracht, welcher die Werk­ stückwand an die Innenwandung des druckfesten Formwerk­ zeuges andrückt. Das Werkstück wird so entsprechend der Kontur der Wandung des Formwerkzeuges umgeformt.

Die Druckbeaufschlagung kann über einen Kompressor oder in Sonderfällen durch eine Explosion erzeugt werden. Als Druckfluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden.

Das Innenhochdruckumformen ist ein sehr schnelles Umform­ verfahren. Allerdings ist es schwer zu steuern und zur Her­ stellung komplexer Hohlkörperformen nur bedingt geeignet. Größere Durchmesserunterschiede und Wanddickenunterschiede an einem Hohlkörper können wegen der Begrenzung des Umform­ vermögens des Werkstoffes nur in beschränktem Maße durch­ geführt werden.

Um auch größere Durchmesserunterschiede einstellen zu können, ist beispielsweise aus der DE 197 27 599 bekannt, ein rohrförmiges Werkstück während des Innenhochdruckumfor­ mens axial zu stauchen. Es kann so an den stärker umzufor­ menden Werkstückbereichen mehr Material durch die Stauchbe­ wegung zur Verfügung gestellt werden. Allerdings erfordert dieses Verfahren Formwerkzeuge, welche bei der notwendigen Druckfestigkeit auch eine axiale Stauchbewegung gewährlei­ sten können. Derartige Formwerkzeuge sind daher sehr auf­ wändig. Die Hohlkörper können auch nur mit relativ großen Maßtoleranzen geformt werden.

Aus der gattungsbildenden DE 43 20 656 A1 ist bekannt, das umzuformende rohrförmige Werkstück aus Rohrabschnitten mit jeweils unterschiedlicher Wandstärke zusammenzuschweißen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem ein Innenhochdruckumfor­ men einfach und zugleich mit hoher Formenvielfalt für den herzustellenden Hohlkörper ausgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform vor dem Innenhochdruckumformen durch Drückwalzen bearbeitet wird und dass bei dem Drückwalzen der gewünschte Wanddickenverlauf an der Vorform einge­ stellt wird.

Die Bearbeitung der Vorform durch Drückwalzen vor dem In­ nenhochdruckumformen bringt zahlreiche Vorteile mit sich. So wird durch das Drückwalzen die Oberfläche des Werkstücks geglättet. Rauhheitsspitzen und Vertiefungen, welche beim Innenhochdruckumformen Ausgangsstellen für Gefügerisse sein können, werden weitgehend beseitigt. Zudem erfolgt bei dem Drückwalzen eine Gefügestreckung. Die Körner im Werkstoff­ gefüge werden gestreckt und ausgerichtet. Dies sorgt für besonders gleichmäßige Umformeigenschaften des Werkstücks beim nachfolgenden Innenhochdruckumformen.

Ein wesentlicher Vorteil liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darin, dass ein gewünschter Wanddickenverlauf an der Vorform eingestellt wird. Hierdurch ist in hohem Maße eine Steuerung des Umformverhaltens der Vorform beim nach­ folgenden Innenhochdruckumformen möglich. Denn Werkstück­ bereiche mit geringerer Festigkeit, also mit dünnerer Wand­ stärke, werden beim Innenhochdruckumformen zuerst umgeformt. Bereiche mit größerer Wanddicke hingegen setzen dem Umform­ druck einen höheren Widerstand entgegen, so dass diese erst später und auch in geringerem Umfang verformt werden können. Durch eine besonders gleichmäßige, einheitliche Wanddickeneinstellung beim Drückwalzen ist es auch möglich, über den gesamten Umformbereich ein gleichmäßiges Umform­ verhalten einzustellen. Es können so Hohlkörper mit hoher Maßgenauigkeit hergestellt werden, die nach dem Innenhoch­ druckumformen einen gewünschten, veränderlichen Wanddicken­ verlauf besitzen.

Beim Drückwalzen der Vorform kann eine Wanddickeneinstel­ lung durch radiales Einziehen mittels mindestens einer Drückrolle von der Außenseite der Vorform oder durch ra­ diales Erweitern von der Innenseite der dünnwandigen Vor­ form erfolgen. Eine besonders gute Einstellung der Um­ formeigenschaft des Werkstücks wird nach der Erfindung je­ doch dadurch erreicht, dass die Vorform durch Abstreck­ drückwalzen gelängt und dabei die Wanddicke der Vorform zumindest bereichsweise reduziert wird. Durch das Abstreck­ drückwalzen ergibt sich eine besonders gute Ausrichtung und Streckung der Körner im Werkstoffgefüge des metallischen Werkstoffs. Der Werkstoff kann insbesondere Stahl, Alumi­ nium oder ein anderes für das Innenhochdruckumformen geeig­ netes Metall sein.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorform an ihrer Außen- und/oder Innenseite drückgewalzt wird. Bevor­ zugt wird die Vorform an der Oberfläche drückgewalzt, welche beim Innenhochdruckumformen eine Dehnung erfährt. Denn an dieser Oberfläche ist die Gefahr von Rissbildungen im Werkstoffgefüge am größten.

Besonders wirtschaftlich ist es, dass die Vorform ein Rohr­ stück ist. Dieses kann kostengünstig als ein Profilteil hergestellt werden, wobei durch das Drückwalzen eine ge­ wünschte Längen- und Wanddickeneinstellung erfolgen kann.

Dabei ist es erfindungsgemäß, dass beim Drückwalzen die Wand der Vorform entsprechend der Kontur des fertigen Hohl­ körpers vorgeformt wird. Es kann also nicht nur die Wand­ dicke der Vorform eingestellt werden, sondern insgesamt der Verlauf der Wand vorgearbeitet werden. Es können so Absät­ ze oder komplexere Wandverläufe vorbereitet werden, welche dann beim nachfolgenden Innenhochdruckumformen ihre Endform erhalten.

Um bei der Herstellung von Hohlkörpern mit größeren Durch­ messerunterschieden im axialen Verlauf der Wand dennoch ei­ ne besonders einheitliche Wandstärke zu erreichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Vorform größere oder kleinere Wanddicken an den Stellen ausgebildet werden, an welchen beim Innenhochdruckumformen eine große bzw. kleine Materialstreckung erfolgt. In Bereichen großer Ma­ terialstreckung wird also vorab durch das Drückwalzen der Vorform ausreichend Material zur Verfügung gestellt, wäh­ rend entsprechend an Werkstückbereichen mit keiner oder ge­ ringer Materialstreckung eine geringere Wandstärke an der Vorform vorgesehen wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass an der Vorform die Übergänge zwischen Bereichen größerer und kleinerer Wanddicke fließend ausgeformt wer­ den. Auf diese Weise können beim Innenhochdruckumformen extreme Wandstärkenveränderungen vermieden werden.

Durch das erfindungsgemäße Bearbeiten der Vorform durch Drückwalzen ist es selbst möglich, extreme Gefügeänderun­ gen, wie sie durch das Vorhandensein von Schweißnähten ent­ stehen können, auszugleichen und weitgehend zu vergleich­ mäßigen. Auf diese Weise können selbst durch Schweißen her­ gestellte Vorformen beim Innenhochdruckumformen verwendet werden, welche durch bisherige Verfahren kaum verarbeitbar waren.

Erfindungsgemäß kann eine Druckbeaufschlagung an der Innen- oder Außenseite der Vorform erfolgen. Selbstverständlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, gleichzeitig mit dem Innenhochdruckumformen und der zumeist radial gerichteten Werkstückumformung eine axiale Stauchbe­ wegung auszuführen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, dass beim Drückwalzen der Vorform auch Berei­ che geformt werden, welche beim anschließenden Innendruck­ umformen unverformt bleiben. So können beispielsweise die Enden der Vorform, welche verfahrensbedingt beim Innenhoch­ druckumformen kaum oder überhaupt nicht umgeformt werden können, bereits mit einer gewünschten Endkontur versehen werden. Dies kann eine Bordierung, beispielsweise ein Fel­ genrand, oder eine Verzahnung für ein Getriebeteil sein. Es kann hier die gesamte Formgebungsvielfalt eingesetzt werden, welche auf Drückwalzmaschinen ausgeführt werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass als fertiger Hohlkörper ein Felgenring für ein Fahr­ zeugrad gefertigt wird. Mit dem erfindungemäßen Verfahren ist es dabei möglich, vor dem Innenhochdruckumformen die Felgenränder zu bordieren und beispielsweise im Bereich des Felgenhumps eine gewünschte Wandstärkenverdickung vorzuse­ hen.

Es ist vorgesehen, dass mindestens eine Oberfläche der Vor­ form durch Drückwalzen bearbeitet und mit einem gewünschten Wanddickenverlauf versehen ist.

Bevorzugt ist, dass die Vorform durch Abstreckdrückwalzen gelängt und mit definierten Wanddickenänderungen versehen ist.

Die Vorform kann dabei rotationssymmetrisch oder auch nicht rotationssymmetrisch sein. Entsprechende Drückwalzverfahren zur Bearbeitung ovaler oder sogenannter polygonförmiger Werkstücke sind im Stand der Technik bekannt.

Für ein gutes Ergebnis beim Innenhochdruckumformen ist es vorgesehen, dass Übergänge zwischen Bereichen größerer und kleinerer Wanddicke fließend ausgebildet sind.

Bei einer Vorform ist es weiterhin vorgesehen, dass Berei­ che der Vorform, insbesondere die freien Enden, durch Drückwalzen endgeformt, beispielsweise verzahnt, bordiert etc. sind.

Die Erfindung ermöglicht so eine zuverlässige und formge­ naue Herstellung von Werkstücken durch Innenhochdruckum­ formen, wobei zugleich die Formenvielfalt von Hohlkörpern erhöht wird, welche durch Innenhochdruckumformen herstell­ bar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend weiter anhand von bevorzug­ ten Ausführungsformen erläutert, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Form zum Innenhochdruckumformen;

Fig. 2 eine Teilquerschnittsansicht einer Vorform vor dem Drückwalzen;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht der Vorform nach einem Abstreckdrückwalzen und

Fig. 4 eine Teilquerschnittsansicht des fertig geformten Hohlkörpers.

Das Prinzip des Innenhochdruckumformens wird in Fig. 1 ver­ deutlicht. Eine Vorform 10 wird in eine druckfeste Form 50, welche bei der dargestellten Ausführung aus zwei Formhälften besteht, eingesetzt. Durch eine nicht dargestellte Druckleitung wird in einen Innenraum 54 der Form 50 ein Druckfluid unter Hochdruck eingeleitet. Hierdurch wird die dünnwandige Vorform 10 nach außen gegen eine Wand 52 der Form 50 gedrückt. Die in Strichpunktlinie dargestellte Vor­ form 10 erhält so die durch die Wand 52 vorgegebene Kontur und wird zum fertigen Hohlkörper 15 geformt. Entsprechend der Kontur der Wand 52 kann es zu Reduzierungen der Wand­ dicke an den Bereichen des Hohlkörpers 15 kommen, an wel­ chen eine besonders große Durchmessererweiterung beim In­ nenhochdruckumformen ausgebildet wird. An den Bereichen mit großem Durchmesser ist eine besonders große Materialstre­ ckung und damit Materialverdünnung zu erwarten.

Ausgehend von einem einfachen Rohrstück als Vorform 10, von welcher in Fig. 2 lediglich eine obere Querschnittsan­ sicht der Wand der Vorform 10 dargestellt ist, wird nach der Erfindung ein Drückwalzen durchgeführt.

In Fig. 3 ist in entsprechender Darstellung zu Fig. 2 die Vorform 10 nach einem Verfahrensschritt des Abstreckdrück­ walzens gezeigt. Bei diesem Abstreckdrückwalzen werden in Bereichen 19 durch Drückwalzen Wanddickenreduzierungen vorgenommen. Hierdurch ergibt sich eine entsprechende Län­ gung der Vorform 10. Gleichzeitig bilden ein unverformter Mittenbereich 11 sowie die unverformten Enden 14 Bereiche größerer Wanddicke. Um bei einem nachfolgenden Innenhoch­ druckumformen schlagartige Wanddickenänderungen zu ver­ meiden, werden zwischen den Bereichen 19 mit geringer Wandstärke und den Bereichen 11 und 14 mit größerer Wand­ stärke Übergänge 13 vorgesehen, in welchen sich die Wand­ stärke in axialer Richtung kontinuierlich ändert.

In einem nicht dargestellten weiteren Drückwalzschritt wer­ den die freien Enden 14 zu Felgenrändern 17 bordiert. Der Verfahrensschritt des Bordierens kann wie das vorausgegan­ gene Abstreckdrückwalzen in derselben Einspannung auf einer Drückwalzmaschine durchgeführt werden.

Anschließend wird die durch Drückwalzen vorgeformte Vorform 10 in eine druckfeste Form 50 für ein Innenhochdruckumfor­ men eingespannt. Entgegen der Darstellung von Fig. 1, bei welcher eine Druckbeaufschlagung an der Innenseite der Vor­ form 10 erfolgte, wird zur Herstellung eines Felgenringes als Hohlkörper 15 eine Druckbeaufschlagung von der Außen­ seite der Vorform 10 ausgeführt. Das Ergebnis dieses Innen­ hochdruckumformens ist in der Teilquerschnittsansicht von Fig. 4 dargestellt. Entsprechend einer vorgegebenen Kontur der Wand 52 der nicht dargestellten Form 50 wird der wand­ stärkengrößere Mittenbereich 11 zu dem Tiefbett 16 einge­ zogen. Trotz der starken Umformung weist das Felgenbett 16 durch die vorausgegangene Wanddickeneinstellung weiter eine große Wandstärke auf. Dies ist vorteilhaft, da der Felgen­ ring im Bereich des Felgenbettes 16 zur Herstellung des fertigen Fahrzeugrades mit der Nabenscheibe verschweißt werden muss. Die Bereiche 19 mit kleinerer Wandstärke werden zu Felgenschultern 20 mit einem Absatz, dem soge­ nannten Hump, geformt. Bei der dargestellten Umformung wird auch zur noch besseren Wanddickeneinstellung eine gewisse axiale Stauchbewegung durch die beiden Hälften der druckfe­ sten Form 50 durchgeführt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können durch Innen­ hochdruckumformen in besonders wirtschaftlicher und zu­ gleich formgenauer Weise Felgenringe für Fahrzeugräder, rohrförmige Gehäuse, Hohlwellen, Karosserie- und Aufhän­ gungsteile, weitere Hohlkomponenten für ein Kraftfahrzeug sowie eine Vielzahl weiterer Werkstücke und Getriebeteile hergestellt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers (15) durch Innenhochdruckumformen aus einer Vorform (10), welche über ihre Länge einen definierten Wanddickenverlauf aufweist, wobei die Vorform (10) in einer druckfesten Form (50) angeordnet und durch Druckerhöhung in der Form (50) an eine Wand (52) der Form (50) angeformt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorform (10) vor dem Innenhochdruckumformen durch Drückwalzen bearbeitet wird und
dass bei dem Drückwalzen der definierte Wanddickenver­ lauf an der Vorform (10) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (10) durch Abstreckdrückwalzen ge­ längt und dabei die Wanddicke der Vorform (10) zu­ mindest bereichsweise reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (10) an ihrer Außen- und/oder Innen­ seite drückgewalzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (10) ein Rohrstück ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drückwalzen die Wand der Vorform (10) ent­ sprechend der Kontur des fertigen Hohlkörpers (15) vorgeformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorform (10) größere oder kleinere Wand­ dicken an den Stellen ausgebildet werden, an welchen beim Innenhochdruckumformen eine große bzw. kleine Materialstreckung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorform Übergänge (13) zwischen Bereichen größerer und kleinerer Wanddicke fließend ausgeformt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckbeaufschlagung an der Innenseite der Vorform (10) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drückwalzen der Vorform (10) auch Berei­ che (17) geformt werden, welche beim anschließen­ den Innenhochdruckumformen unverformt bleiben.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Innenhochdruckumformen aus der Vor­ form (10) ein Felgenring für ein Fahrzeugrad gefer­ tigt wird.