DE102005007997B3

DE102005007997B3 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102005007997B3
Application number: DE102005007997A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.-Ing. Schulze; Peter Juraschek
Original assignee: TOWER AUTOMOTIVE HYDROFORMING; Tower Automotive Hydroforming & Co KG GmbH
Current assignee: TOWER AUTOMOTIVE HYDROFORMING; Tower Automotive Hydroforming & Co KG GmbH
Priority date: 2005-02-19
Filing date: 2005-02-19
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2025-02-20
Also published as: EP1848554B1; ES2328834T3; WO2006086935A1; ATE433810T1; DE502005007540D1; EP1848554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Bauteilen. Verfahrensgemäß erfolgt unter Verwendung eines mit einem Hohlraum (2) versehenen Ausgangswerkstückes (1A), welches eine Wandung (3) mit einer Innenfläche (4) und einer Außenfläche (5) aufweist, in einem ersten Umformvorgang dessen Innenhochdruckumformen, wobei eine Vorform (1V) erzeugt wird und diese in einem zweiten Umformvorgang in einem Umformwerkzeug (10) durch ein auf die Außenfläche (5) in Richtung zum Hohlraum (2) der Vorform (1V) wirkendes Umformverfahren in die geforderte Form des Bauteils (1B) umgeformt wird. Die Einrichtung zum Herstellen eines Bauteils (1B) weist ein Umformwerkzeug (10) auf, in welches die Vorform (1V) einlegbar ist, wobei das Umformwerkzeug (10) mindestens ein in Richtung zum Hohlraum bewegbares und auf die Außenfläche (5) der Vorform (1V) wirkendes, erstes Werkzeugelement (11) aufweist, welches eine erste Formfläche (12) entsprechend der zu erzeugenden Kontur des herzustellenden Bauteils (1B) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches, wobei ein Bauteil in mehreren Umformstufen hergestellt wird, wobei eine Umformstufe ein Innenhochdruckumformen ist.

Bekannt ist nach DE 101 20 063 A1 ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge, bei dem das Ausgangsmaterial bzw. Walzprofil mittels Induktion auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt, abgeschreckt und gehärtet wird. Vor dem Innenhochdruckumformen ist jedoch das Härten des Bauteiles nicht erwünscht.

Bekannt ist auch das Innenhochdruckumformverfahren zur Herstellung von Profilbauteilen, wobei ein Ausgangswerkstück in Form eines Hohlprofiles in ein Umformwerkzeug eingelegt und in diesem durch die Zuführung eines Druckmittels umgeformt wird. In DE 197 08 905 C2 wird ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von profilierten Karosseriehohlträgern beschrieben, bei dem ein Stück eines längsnahtgeschweißten Stahlrohres als Rohling unter Verwendung eines teilbaren Formgebungswerkzeuges mittels Innenhochdruck in die durch das Werkzeug bestimmte Form umgeformt wird. Das Umformen des Stahlrohres erfolgt in mehreren Stufen. In der letzten Stufe vor dem Innenhochdruckumformen werden die teilgefertigten Werkstücke zwischengeglüht. Als Ausgangswerkstück wird Warmbandstahlblech, statt des bisher eingesetzten Kaltwalzbleches, verwendet, um die Duktilität des Werkstoffes zu erhöhen. Gem. DE 100 42 465 A1 wird ein Bauteil partiell mechanisch (auch mittels Hydroumformen) aufgeweitet und/oder reduziert und anschließend das gesamte Bauteil weichgeglüht.

DE 102 41 028 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von bogenförmigen (gerundeten) Strukturbauteilen aus einem Strangpressprofil, welches nach dem Austreten aus der Matrize der Strangpresse zum Zwecke der Ausformung als bogenförmiges (gerundetes) Profil von Führungswerkzeugen geführt wird und in heißem Zustand einer oder mehreren Bearbeitungsstationen zugeführt wird, wobei vor dem Warmumformen die Bearbeitungstemperatur des Werkstücks durch Kühlen eingestellt wird. Das Warmumformen kann auch als Innenhochdruckumformen erfolgen. Nachteilig bei den vorgenannten Lösungen ist, dass nach Abschluss des Innenhochdruckumformens keine weitere umformende Bearbeitung in Richtung zum Hohlraum des Werkstücks mehr erfolgt und das Umformvermögen bei Innenhochdruckumformen begrenzt ist. Insbesondere sind enge Radien beim Innenhochdruckumformen nicht abbildbar. Entsprechende Bauteile müssen spanend erzeugt werden oder sind nicht einteilig herstellbar.

Es bestand daher die Aufgabe, ein effektives kostengünstiges Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Bauteilen zu entwickeln, mit welchen insbesondere einteilige rohrförmige Hohlteile herstellbar und enge Radien abbildbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten und 10. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Verfahren zum Herstellen eines Bauteils erfolgt unter Verwendung eines mit einem Hohlraum versehenen Ausgangswerkstückes, welches eine Wandung mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, wobei das Ausgangswerkstück in einem Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug durch die Wirkung eines auf dessen Innenfläche wirkenden Druckes eines Druckmediums in einem ersten Umformvorgang in eine durch das Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug bestimmte Vorform umgeformt wird und anschließend die Vorform in einem zweiten Umformvorgang in einem Umformwerkzeug durch ein auf die Außenfläche in Richtung zum Hohlraum der Vorform wirkendes Umformverfahren in die geforderte Form des Bauteils, welches auch enge Radien aufweisen kann, umgeformt wird.

Der zweite Umformvorgang kann entweder ein Warmumformvorgang oder ein Kaltumformvorgang sein. Bevorzugt erfolgt der zweite Umformvorgang in einem Werkzeug mittels mindestens eines eine erste Formfläche aufweisenden und auf die Außenfläche wirkenden Werkzeugelementes, wobei die Formfläche die Kontur aufweist, die an der Außenwandung des Bauteils zu erzeugen ist. Dazu greift während des zweiten Umformvorganges ein Stützstempel in die Vorform ein, der mindestens eine zweite Formfläche aufweist, gegen welche die erste Formfläche des Werkzeugelementes wirkt, so dass der zwischen beiden Formflächen liegende Wandbereich der Vorform durch den zweiten Umformvorgang in die Endform umgeformt wird.

Ist ein Warmumformvorgang erforderlich, wird die gesamte Vorform oder nur partielle Bereiche, in denen der zweite Umformvorgang erfolgen soll, auf die Warmumformtemperatur erwärmt. Dies kann innerhalb oder außerhalb der Einrichtung z.B. mittels induktiver Erwärmung oder durch Strahlungswärme erfolgen. Um Verzunderungen zu vermeiden, kann die Warmumformung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.

Weiterhin ist es möglich, durch die Temperatur bei der Warmumformung und die Art und Geschwindigkeit der Abkühlung auf Raumtemperatur ein gezieltes Endgefüge herbeizuführen.

Die Einrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem mit einem Hohlraum versehenen Ausgangswerkstück, welches eine Wandung mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, besteht aus einem Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug, in welchem durch die Wirkung eines auf die Innenfläche des Ausgangsteils wirkenden Druckes eines Druckmediums das Ausgangsteil in einem ersten Umformvorgang in eine durch das Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug bestimmte Vorform umgeformt wird, wobei in einer nachfolgenden Station ein Umformwerkzeug Anwendung findet, in welches die Vorform einlegbar ist, wobei das Umformwerkzeug mindestens ein in Richtung zum Hohlraum bewegbares und auf die Außenfläche der Vorform wirkendes, erstes Werkzeugelement aufweist, welches eine erste Formfläche entsprechend der zu erzeugenden Kontur des herzustellenden Bauteils aufweist.

Das Werkzeug weist vorteilhafter Weise einen Stützstempel auf, welcher durch eine Öffnung der Vorform in deren Hohlraum eingreift. Am Stützstempel ist mindestens eine zweite Formfläche ausgebildet, gegen welche die erste Formfläche des Werkzeuges bewegbar ist, so dass die Wandung der Vorform zwischen beiden Formflächen umformbar ist.

Dabei kann der Stützstempel axial in einen ersten Teil (20a) und einen zweiten Teil (20b) geteilt sein, wobei der erste Teil und/oder der zweite Teil jeweils eine zweite Formfläche enthalten kann. Ein oder beide Teile des Stützstempels können unabhängig voneinander in die/aus der Vorform bewegbar sein. Es ist auch möglich, den Stützstempel oder einen Teil des Stützstempels gestellfest am Werkzeug anzuordnen, so dass die Vorform dann bis zur gewünschten Lage darüber geschoben wird.

Weiterhin kann der erste Teil und/oder der zweite Teil des Stützstempels senkrecht zur Achse des Stützstempels in Richtung zum Werkzeugelement und davon weg bewegbar sein.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann sich zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des Stützstempels ein dritter Teil des Stützstempels erstrecken.

Soll eine Warmumformung durchgeführt werden, kann das Werkzeug beheizbar sein und sich in Schutzgasatmosphäre befinden.

Insbesondere durch die sich an das IHU anschließende Warmumformung ist es möglich, das Bauteil in den Bereichen umzuformen (z.B. eine Sicke herzustellen), in welchen durch die vorangegangenen Umformstufen eine starke Verfestigung zu verzeichnen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1a: Ausgangswerkstück 1A im Querschnitt,
1b: Ansicht der Vorform 1V,
1c: Schnitt A-A gem. 1b,
2: Im offenen Werkzeug 10 befindliche Vorform 1V mit darin befindlichem Stützstempel 20 im Querschnitt,
3: Werkzeug 10 mit Bauteil 1B nach Abschluss des zweiten Umformvorganges im Querschnitt,
4: Längsschnitt gem. 3.
5: dreidimensionale Ansicht des geöffneten Werkzeuges nach dem zweiten Umformvorgang mit darin befindlichem Bauteil 1B,
6: dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäß hergestellten Bauteils 1B.
In 1 bis 6 wird die Herstellung eines Bauteils in Form einer Rastierhülse beschrieben. 1a zeigt den Querschnitt eines rohrförmigen Ausgangswerkstückes 1A. Dieser Rohrabschnitt behält gem. 1b in einem ersten Bereich 1.1 seinen Ausgangsdurchmesser. In der Mitte 1.2 wurde der Durchmesser reduziert und der sich anschließende Bereich 1.3 wurde an seinem offenen Ende durch Innenhochdruckumformen aufgeweitet. Der Bereich 1.3 bildet eine Art Topf, an den sich der reduzierte Bereich 1.2 anschließt. Der Schnitt A-A gem. 1b wird in 1c gezeigt. Diese in 1b und 1c dargestellte Vorform 1V wird mit dem Bereich 1.3, welcher durch IHU vorgeformt wurde, in ein Werkzeug 10 eingelegt. Das Werkzeug 10 weist eine untere Werkzeughälfte 10.1 auf. Dazu axialbeweglich ist ein Werkzeugelement 11 angeordnet, welches eine erste Formfläche 12 entsprechend der zu erzeugenden Bauteilform mit einem wellenförmigen Abschnitt 12.1 aufweist. Weiterhin ist ein Stützstempel 20 vorgesehen, der axial in eine erste Stempelhälfte 20a und eine zweite Stempelhälfte 20b geteilt ist. Die erste Stempelhälfte 20a liegt in Richtung zum Werkzeugelement 11 und weist eine zweite Formfläche 21 auf, die der ersten Formfläche 12 des Werkzeugelementes 11 gegenüberliegt und dieser angepasst ist. 2 zeigt das geöffnete Werkzeug 10 mit der im Bereich 1.3 eingelegten Vorform 1V und darin befindlichen Stempelhälften 20a, 20b des Stützstempels 20 vor dem zweiten Umformvorgang. Durch eine Bewegung des Werkzeugelementes 11 in Richtung zum Unterwerkzeug wirkt dieses mit der ersten Formfläche 12 auf die Außenseite 5 der Vorform 1V und formt somit diesen Wandbereich der Vorform in Richtung zum Hohlraum 2 um, bis sich dieser an die zweite Formfläche 21 der ersten Stempelhälfte 20a angelegt hat. Die Wandung der Vorform 1V wird somit zwischen beiden Formflächen entsprechend deren Gestaltung umgeformt, der Stützstempel 20 bildet dabei das „Gegenwerkzeug". Das geschlossene Werkzeug 10 nach dem Umformvorgang ist in 3 im Querschnitt und in 4 im Längsschnitt dargestellt. Die Innenfläche 4 liegt an der Formfläche 21 der ersten Stempelhälfte 20a und die Außenfläche 5 an der Formfläche 12 des Werkzeugelementes 11 an. Es wird aus 4 ersichtlich, dass im „Topfbereich" 1.3 neben einem hier nicht erkennbaren sich in Axialrichtung erstreckenden Wellenabschnitt auch ein Hinterschnitt 31 erzeugt wurde.
5 zeigt die dreidimensionale Ansicht des geöffneten Werkzeuges 10 nach dem zweiten Umformvorgang mit dem darin befindlichen Bauteil 1B, ohne Werkzeugelement 11. Im Bereich 1.3 (Topfbereich) ist der eingeprägte sich axial erstreckende Wellenabschnitt 30 sowie der Hinterschnitt 31 ersichtlich. Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Werkzeuges zusammenfassend erläutert:
Die Vorform 1V wird in das Werkzeug 10 eingelegt und liegt mit dem auf der Seite 1.3 befindlichem Ende an einer Querplatte 10.2 an. An dieser Querplatte 10.2 ist gestellfest die erste Stempelhälfte (hier nicht sichtbar) angeordnet. Die Vorform 1V wird somit über die erste Stempelhälfte bis zum Anschlag an die Querplatte 10.2 geschoben. Nun fährt die zweite Stempelhälfte 20b in die Vorform 1V ein und das Werkzeugelement 11 vollführt eine Hubbewegung in Richtung zum Unterwerkzeug 10.1, wodurch die Wandung der Vorform 1V zwischen Werkzeugelement 11 und Stempel 20 umgeformt wird. Nach diesem zweiten Umformvorgang fährt die zweite Stempelhälfte 20b aus dem Bauteil 1B heraus und das Werkzeugelement 11 nach oben. Nun kann das hergestellte Bauteil 1B von der gestellfesten ersten Stempelhälfte 20a entnommen werden.
In 6 ist die dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäß hergestellten Bauteils 1B dargestellt. Das Bauteil 1B ist in diesem Fall eine Rastierhülse für die Sicherung von Verstellpositionen eines Schaltgestänges für Kraftfahrzeuge. Diese Rastierungshülsen weisen einen Topfbereich 1.3 auf, an den sich ein zylindrischer reduzierter Bereich 1.2 anschließt. In diesem Beispiel schließt sich ein erweiterter Bereich 1.1 an. Durch den zweiten Umformvorgang wurde ein sich axial erstreckender Wellenabschnitt 30 erzeugt. Dieser Wellenabschnitt 30 bildet eine Rastausnehmung, in welche eine nicht dargestellte Rastkugel einer Kugelraste eingreifen kann. Weiterhin weist der Topfbereich 1.3 eine Hinterschneidung 31 zur Festlegung der Wählebene auf und es ist eine Kulisse 32 ausgeschnitten, über welche die Festlegung der einzelnen Gänge der Gangschaltung erfolgt. Der Kulisse 32 gegenüberliegend befindet sich eine Ausnehmung 33.
Die Rastierhülse ist erstmalig einteilig ausgebildet und wurde aus einem Rohrabschnitt gefertigt. Die einteilige und äußerst einfache Fertigung bietet den Vorteil, dass höhere Genauigkeiten erzielbar sind, als bei der Herstellung von Rasierhülsen, die aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sind. Weiterhin ist eine konturnahe Fertigung möglich, die ggf. durch eine abschließende mechanische Bearbeitung ergänzt werden kann.
Erfolgt der zweite Umformvorgang durch Warmumformung ist es möglich, das Gefüge gezielt zu beeinflussen und somit ein Härten zur Erhöhung der Festigkeit durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1B), unter Verwendung eines mit einem Hohlraum (2) versehenen Ausgangswerkstückes (1A), welches eine Wandung (3) mit einer Innenfläche (4) und einer Außenfläche (5) aufweist, wobei das Ausgangswerkstück (1A) in einem Innenhochdruckumform(IHU)Werkzeug durch die Wirkung eines auf dessen Innenfläche (4) wirkenden Druckes eines Druckmediums in einem ersten Umformvorgang in eine durch das Innenhochdruckumform-(IHU) Werkzeug bestimmte Vorform (1V) umgeformt wird und anschließend die Vorform (1V) in einem zweiten Umformvorgang in einem Umformwerkzeug (10) durch ein auf die Außenfläche (5) in Richtung zum Hohlraum (2) der Vorform (1V) wirkendes Umformverfahren in die geforderte Form des Bauteils (1B) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem IHU das Ausgangswerkstück (1A) oder der Vorform (1V) bereichsweise im Durchschnitt reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umformvorgang ein Warmumformvorgang oder ein Kaltumformvorgang ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umformvorgang in einem Werkzeug (10) mittels mindestens eines eine erste Formfläche (12) aufweisenden und auf die Außenfläche (5) wirkenden Werkzeugelementes (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des zweiten Umformvorganges ein Stützstempel (20) in die Vorform (1V) eingreift.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Warmumformung die gesamte Vorform (1V) erwärmt wird, oder, dass nur partielle Bereiche, in denen der zweite Umformvorgang erfolgen soll, auf die Warmumformtemperatur erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf die Warmumformtemperatur mittels induktiver Erwärmung oder durch Strahlungswärme erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmumformung unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Temperatur bei der Warmumformung und die Art und Geschwindigkeit der Abkühlung auf Raumtemperatur ein gezieltes Endgefüge erzeugbar ist.
Einrichtung zum Herstellen eines Bauteils (1B) nach Anspruch 1, aus einem mit einem Hohlraum (2) versehenen Ausgangswerkstück (1A), welches eine Wandung (3) mit einer Innenfläche (4) und einer Außenfläche (5) aufweist, in einem Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug durch die Wirkung eines auf dessen Innenfläche (4) wirkenden Druckes eines Druckmediums in einem ersten Umformvorgang in eine durch das Innenhochdruckumform(IHU)-Werkzeug bestimmte Vorform (1V) umgeformt wird, wobei in einer nachfolgenden Station ein Umformwerkzeug Anwendung findet, in welches die Vorform (1V) einlegbar ist, wobei das Umformwerkzeug (10) mindestens ein in Richtung zum Hohlraum bewegbares und auf die Außenfläche (5) der Vorform (1V) wirkendes, erstes Werkzeugelement (11) aufweist, welches eine erste Formfläche (12), entsprechend der zu erzeugenden Kontur des herzustellenden Bauteils (1B) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) einen Stützstempel (20) aufweist, welcher durch eine Öffnung (6) der Vorform (1V) in deren Hohlraum (2) eingreifbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützstempel (20) mindestens eine zweite Formfläche (21) aufweist, gegen welche die erste Formfläche (11) bewegbar ist und, dass die Wandung (2) der Vorform (1V) zwischen beiden Formflächen (11, 21) umformbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützstempel (20) axial zumindest in einen ersten Teil (20a) und einen zweiten Teil (20b) geteilt ist und, dass der erste Teil (20a) und/oder der zweite Teil (20b) eine zweite Formfläche (21) enthält.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teile (20a, 20b) des Stützstempels (20) unabhängig voneinander in die/aus der Vorform (1V) bewegbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (20a) und/oder der zweite Teil (20b) des Stützstempels (20) senkrecht zur Achse (A) des Stützstempels (20) in Richtung zum Werkzeugelement (11) und davon weg bewegbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem ersten Teil (20a) und dem zweiten Teil (20b) des Stützstempels (20) ein dritter Teil (20c) des Stützstempels (20) erstreckt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) beheizbar ist.