DE102005057863B3 - Drucksteuerungssystem für die Innenhochdruckumformung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen eines Bauteils (37) in einem ein Untergesenk (26) und ein Obergesenk (27) aufweisenden Formwerkzeug (28) offenbart, bei welcher das Obergesenk (27) über mindestens eine ein Hydraulikfluid enthaltende Kolben-Zylinder-Einheit (30) mit dem Pressenstößel (35) einer weggebundenen mechanischen Presse (2) begrenzt relativ beweglich koppelbar und der Zylinderraum der Kolben-Zylinder-Einheit (30) mit dem Innenraum des Bauteils (37) fluidleitend verbindbar ist. Die Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß eine Kolben-Zylinder-Feder-Einheit (1) zur Steuerung der weggebundenen Presse (2). Die Druckdauer wird durch eine Hochdruckkammer (12) in dem Steuerungssystem der Kolben-Zylinder-Feder-Einheit (1) erhöht. Somit wird neben dem Innenhochdruckumformen eine zusätzliche Fertigungsoperation während des Pressenhubs ermöglicht. Die Druckbegrenzung wird durch die Hochdruckkammer (12) der Kolben-Zylinder-Feder-Einheit (1) reguliert.

Description

• Beschrieben wird eine Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen eines Bauteils in einem ein Untergesenk und ein Obergesenk aufweisenden Formwerkzeug, bei welcher das Obergesenk über mindestens eine ein Hydraulikfluid enthaltende Kolben- Zylinder- Einheit mit dem Pressenstößel einer weggebundenen Presse begrenzt relativ beweglich koppelbar und der Zylinderraum der Kolben- Zylinder- Einheit mit dem Innenraum des Bauteils fluidleitend verbindbar ist.
• Zur hydraulischen Umformung eines Bauteils ist es bekannt, das Bauteil in ein zunächst offenes Formwerkzeug aus Obergesenk und Untergesenk zu legen, es mit flüssigem Wirkmedium zu füllen und die Bauteilenden über Abdichtdorne abzudichten. Nach dem Schließen des Formwerkzeugs wird im Bauteil ein hydraulischer Druck aufgebaut, um das Bauteil den vorgegebenen Konturen im Formwerkzeug entsprechend zu verformen.
• Hierbei wird von einer hydraulischen Zuhaltepresse ausgegangen, die steuerungsmäßig so ausgelegt ist, dass sie während des Hydoformprozesses das Formwerkzeug über längere Zeit zuhält. Die Haltezeit liegt z.B. für Fahrwerkskomponenten, wie Längsträger und Querbrücken, im Bereich von 5 bis 10 Sekunden. Hieraus ergeben sich dann Taktzeiten im Bereich von 30 bis 40 Sekunden zur Herstellung jedes Fertigteils einschließlich des Zutransports des zu verformenden Bauteils in das Formwerkzeug sowie des Abtransports des verformten Bauteils aus dem Formwerkzeug.
• Die DE 199 57 888 C2 beschreibt eine Kombination aus einem Formwerkzeug mit Ober- und Untergesenk zum hydraulischen Innenhochdruckumformen mit einer weggebundenen mechanischen Presse. Das Obergesenk ist über eine ein Hydraulikfluid enthaltende Kolben- Zylinder- Einheit mit einem Pressenstößel begrenzt relativ beweglich koppelbar. Der Zylinderraum der Kolben- Zylinder- Einheit ist mit dem Innen raum des umzuformenden Bauteils fluidleitend verbindbar. Dieses System regelt den Druck elektronisch und hydraulisch über Steuergeräte, Ventile, Hydraulikpumpen, hydraulische Zylinder und Sensoren. Wegen der vielen elektrischen und hydraulischen Komponenten ist das System im Serieneinsatz zu langsam für das Hydroformen unter mechanischen Pressen. Zusätzliche Fertigungsoperationen an den umzuformenden Bauteilen, wie Lochen, Stanzen oder Schneiden werden in einem zusätzlichen Fertigungsprozeß nach dem Hydroformen ausgeführt.
• Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, dass der Einsatz komplexer Systeme wie elektronische Steuerungen, hydraulische Pumpen, Ölpumpe, Elektroventile oder Druckuntersetzer bei dem Innenhochdruckumformen in einer mechanischen Presse zu vermeiden ist und eine zusätzliche Fertigungsoperation in der Presse möglich wird.
• Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Drucksteuerungssystem gemäß Patentanspruch 1, bei der das Drucksteuerungssystem aus einer Kolben- Zylinder- Feder- Einheit besteht. Der Hochdruckkreis bleibt während und nach dem Innenhochdruckumformen bis über den unteren Totpunkt der Presse hinaus geschlossen. Die Druckdauer wird somit erhöht und dadurch eine weitere Fertigungsoperation während des Pressenhubs ermöglicht. Die Presse ist daher erfindungsgemäß mit einer weiteren Vorrichtung für zusätzliche Fertigungsoperationen versehen.
• Um beim Umformen eine vollständige Anpassung eines Bauteils an den Formraum zu gewährleisten, wird die Kolben- Zylinder- Einheit so ausgelegt, dass das von ihr verdrängte Volumen größer ist als das, was zur Umformung erforderlich wäre. Dieses überschüssige Volumen wird von einer Hochdruckkammer der Kolben- Zylinder-Federeinheit aufgenommen. Die Hochdruckkammmer der Kolben- Zylinder- Feder-Einheit und das Formwerkzeug sind über eine Leitung verbunden. Die Hochdruckkammer besteht aus einem Zylinder, einem Kolben und einer Dichtung. Die auf der Hochdruckseite der Hochdruckkammer angeordnete Feder bewirkt, dass erst bei Erreichen eines bestimmten Innendrucks im Bauteil bzw. im Formraum das von der Kolben- Zylinder- Einheit verdrängte Volumen abgeführt wird. Dieser bestimmte Druck entspricht dem Druck, der zum vollständigen Ausfüllen des Formraums durch das Bauteil bzw. Anpassung der Rohre oder Platinen an die Konturen des Formraums erforderlich ist. Die durch den Druck auf den Kolben ausgeübte Kraft wird mittels einer Feder und einer Federabstützung gegen gehalten. Diese Gegenkraft verhindert den Druckabfall und erzeugt das Druckplateau B1-B2. In dem Druckplateau B1-B2 werden Fertigungsoperationen wie Lochen, Fügen oder Schneiden möglich. Eine derartige Lösung ist wegen der beim Hydroformen vorkommenden sehr hohen Drücke im Bereich von 600 bar bis 3.000 bar vorteilhaft, weil für diese Anwendung eine direkte Druckbegrenzung durch handelsübliche Druckbegrenzer nicht möglich ist. Die Druckbegrenzung wird durch die Hochdruckkammer der Kolben- Zylinder-Feder- Einheit reguliert. Das überschüssige Fluidvolumen während des Innenhochdruckumformens wird von der Hochdruckkammer aufgenommen, wobei sich der Druck geringfügig erhöht.
• Durch das erzeugte Druckplateau B1-B2 können Fertigungsoperationen während oder nach dem Hydroformen durchgeführt werden. Fertigungsoperationen ohne externe Energiequellen werden während oder nach Abschluss des Innenhochdruckumformens bis kurz nach dem Erreichen des unteren Totpunktes UT des Pressenhubs durchgeführt. Mit externen Energiequellen können zusätzliche Fertigungsoperationen nach dem unteren Totpunkt UT über den Druckabfallpunkt C2 des Druckplateaus hinaus ausgeführt werden.
• Bei dem gleichzeitigen Hydroumformen mit einer zusätzlichen Fertigungsoperation befindet sich der Pressenstößel einige Millimeter vor dem unteren Totpunkt UT, wobei sich der Pressenstößel weiter in Richtung unterer Totpunkt UT bewegt und die Vorrichtung für das Lochstempeln, Gewindescheiden oder Schneiden mechanisch oder hydraulisch antreibt. Wenn der untere Totpunkt UT überschritten ist, hat die Vorrichtung für die zusätzliche Fertigungsoperation die zusätzliche Fertigungsoperation wie Lochen, Stempeln oder Gewindeschneiden ausgeführt, anschließend fährt der Stößel der Presse in Richtung des oberen Totpunktes OT, wobei der obere Totpunkt OT ohne Zeitverzögerung durchfahren wird. Der Druck wird abgebaut und die Presse öffnet das Hydroformwerkzeug. Das Hydroumformen und die Fertigungsoperation sind abgeschlossen.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine mechanische Presse (2) zum Innenhochdruckumformen im vertikalen Längsschnitt
• 2 eine ebenfalls im vertikalen Längsschnitt dargestellte erfindungsgemäße Steuerungseinheit aus Kolben (14), Zylinder (13) und einer Feder (15)
• 3 die mechanische Presse zum Innenhochdruckumformen aus 1 in Verbindung mit der Steuerungseinheit aus 2 im vertikalen Längsschnitt
• 4 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Pressenbewegungskurve mit Druckverlauf
• Anhand der 1 wird eine Presse (2) mit einem Formwerkzeug (28), bestehend aus einem Untergesenk (26) und einem Obergesenk (27), dargestellt. Das Untergesenk (26) ist auf dem Pressentisch (24) einer weggebundenen mechanischen Presse (2) in Form einer Kurbelpresse lösbar festgelegt, wobei zwischen dem Pressentisch (24) und dem Untergesenk (26) eine Gesenkplatte (25) liegt. Das Obergesenk (27) ist über eine Zylinderplatte (29) mit dem Zylinder (32) einer Kolben- Zylinder- Einheit (30) verbunden. Der Kolben (33) der Kolben- Zylinder- Einheit (30) ist über eine Kolbenplatte (21) mit dem Pressenstößel (35) der mechanischen Presse (2) lösbar verbunden. An der Zylinderplatte (29) sind stangenförmige Rückholmittel (34) der Kolben- Zylinder- Einheit (30) befestigt. Am freien Ende weisen die Rückholmittel (34) Mitnahmeköpfe (31) auf. Eine Leitung (11), die zwischen der hier noch nicht dargestellten erfindungsgemäßen Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) und dem Formwerkzeug (28) verläuft, ist schematisch angedeutet. Die Leitung (11) erlaubt durch ihre spezielle Ausbildung auch eine Relativverlagerung der nicht dargestellten Kolben-Zylinder- Feder- Einheit (1) zum Formwerkzeug (28). Das Formwerkzeug (28) ist über insgesamt zwei ein Hydraulikfluid enthaltende Kolben- Zylinder- Einheiten (30) mit einem Pressenstößel (35) einer weggebundenen mechanischen Presse (2) in Form einer Kurbelpresse begrenzt relativ beweglich koppelbar. Die Vorrichtung (20) zur zusätzlichen Fertigungsoperation wirkt während oder nach dem Innenhochdruckumformen durch den Pressenhub des Pressenstößels (35) auf das Bauteil (37) ein.
• Die 2 zeigt ein Drucksteuerungssystem, das aus einer erfindungsgemäßen Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) besteht. Das Wirkmedium wird in einer Hochdruckkammer (12) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) unter Hochdruck gelagert. Die Hochdruckkammer (12) besteht aus einem Zylinder (13), einem Kolben (14) und einer Dichtung (17). Die zu verdrängende Flüssigkeit wird durch die Umleitung (10) und die Leitung (11) in der Hochdruckkammer (12) der Kolben- Zylinder- Feder-Einheit (1) unter Hochdruck gespeichert. Die auf den Kolben (14) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) ausgeübte Kraft wird mittels einer Feder (15) und einer Federabstützung (16) gegen gehalten.
• Anhand der 3 ist die Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) als Drucksteuerungssystem zum Steuern der Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen eines Bauteils (37) mit einer weggebundenen Presse (2) dargestellt. Um eine vollständige Ausformung des umzuformenden Bauteils (37) in dem Formraum (36) des Formwerkzeugs (28) sicherzustellen, muss das von den Kolben-Zylinder-Einheiten (30) verdrängte Volumen größer sein als das Volumen, was zur Ausformung benötigt wird. Das überschüssige verdrängte Volumen wird der Hochdruckkammer (12) zugeführt. Der Kolben (14) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) bewegt sich nach links. Die Druckdauer wird erhöht. Dadurch wird eine zusätzliche Fertigungsoperation mit einer weiteren Vorrichtung (20) möglich. Anschließend fährt der Pressenstößel (35) in Richtung des oberen Totpunktes OT, wobei das Volumen aus der Hochdruckkammer (12) in die Kolben- Zylinder- Einheit (30) der Presse (2) über die Leitungen (10,11) geleitet wird. Der Druck wird abgebaut, und die Presse (2) öffnet das Formwerkzeug (28).
• 4 zeigt ein Diagramm, bei dem die y-Achse den Druck und den Hub einer Presse (2) in Abhängigkeit der Zeit über die x-Achse darstellt. Die Kurve K1 stellt den Druckverlauf einer Presse (2) über die Zeit mit einem elektronisch oder hydraulisch gesteuerten Drucksystems für das Hydroumformen nach dem bekannten Stand der Technik dar. Der Druckaufbau beginnt bei Null der Druckachse und steigt über den Arbeitspunkt A1 des Innenhochdruckumformvorgangs bis zu dem unteren Totpunkt B1 der Kurve K1. Hat der Pressenhub seinen unteren Totpunkt B1 erreicht, fährt der Pressenstößel (35) weiter in Richtung des in dem Diagramm nicht darstellbaren oberen Totpunktes OT über die Druckabfallspunkte C1 und D1. Zwischen dem unteren Totpunkt B1 des Pressenhubes der Kurve K1 und dem Druckabfallspunkt C1 wird die Presse noch zugehalten. Ab dem Druckabfallspunkt C1 fährt die Presse auf, der Druck wird abgebaut und die Presse (2) öffnet das Hydroformwerkzeug (28) in Punkt D1. Der hier nicht dargestellte obere Totpunkt OT wird ohne Zeitverzögerung durchfahren.
• Die Kurve K2 zeigt den Druckverlauf der erfindungsgemäßen Presse (2) über das Druckplateau B1-B2, das durch die Gegenkraft der Feder (15) des Drucksteuerungssystems (1) erzeugt wird. Die Höhe der Druckverlaufskurve K2 ist abhängig von der Federkonstante. Die Gegenkraft der Federabstützung (16) verhindert den Druckabfall und erzeugt das Druckplateau B1-B2, dessen Mittelpunkt der untere Totpunkt UT der Pressenbewegung bildet. In diesem Zeitfenster des Druckplateaus B1-B2 werden die zusätzlichen Fertigungsoperationen durchgeführt. Der Druckaufbau beginnt bei Null der Druckachse und steigt über einen Arbeitspunkt A1 des Innenhochdruckumformvorgangs, bis zu einem Maximalwert im unteren Totpunkt UT des Pressenhubs. Der erreichbare Druck im unteren Totpunkt UT, ist von der Federkonstante abhängig. Er wird in der Hochdruckkammer (12) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) bis zum Punkt B2 gehalten.
• Die Stößelbewegungskurve K3 stellt eine Referenzkurve zu der Druckverlaufskurve K2 dar. Diese Referenzkurve K3 zeigt die Stellung des Pressenstößels (35) (Hub) in Abhängigkeit von der Zeit.

1

Kolben- Zylinder- Feder- Einheit

10

Umleitung

11

Leitung zwischen 1 und 28

12

Hochdruckkammer

13

Zylinder der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit

14

Kolben der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit

15

Feder der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit

16

Federabstützung

17

Dichtung

2

Presse

20

Vorrichtung für zusätzliche Fertigungsoperation

21

Kolbenplatte

24

Pressentisch

25

Gesenkplatte

26

Untergesenk

27

Obergesenk

28

Formwerkzeug

29

Zylinderplatte

30

Kolben- Zylinder- Einheit

31

Mitnahmeköpfe

32

Zylinder der Kolben- Zylinder- Einheit

33

Kolben der Kolben- Zylinder- Einheit

34

Rückholmittel

35

Pressenstößel

36

Formraum

37

Bauteil

K1

Druckverlaufskurve einer Presse aus dem Stand der Technik

K2

Druckverlaufskurve einer erfindungsgemäßen Presse

K3

Stößelbewegungskurve einer erfindungsgemäßen Presse

Claims (7)

1. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen eines Bauteils (37) in einem ein Untergesenk (26) und ein Obergesenk (27) aufweisenden Formwerkzeug (28), bei welcher das Obergesenk (27) über mindestens eine ein Hydraulikfluid enthaltende Kolben- Zylinder- Einheit (30) mit dem Pressenstößel (35) einer weggebundenen mechanischen Presse (2) begrenzt relativ beweglich koppelbar und der Zylinderraum der Kolben- Zylinder-Einheit (30) mit dem Innenraum des Bauteils (37) fluidleitend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Presse (2) über ein Drucksteuerungssystem und eine Druckregelung aus mindestens einer Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) verfügt und dass die Presse (2) mit einer weiteren Vorrichtung (20) für zusätzliche Fertigungsoperationen versehen ist.
2. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruckkammer (12) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit (1) mit einem Zylinderraum der Kolben- Zylinder- Einheit (30) und mit dem Innenraum eines Bauteils (37) fluidleitend verbindbar ist.
3. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckkammer (12) der Kolben- Zylinder- Feder- Einheit ein Hochdruckfluid unter Hochdruck speichert und ein geschlossener Hochdruck kreis die Druckdauer erhöht und dadurch ein Hochdruckplateau B1 – B2 erzeugt.
4. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Fertigungsoperation mittels der weiteren Vorrichtung (20) ausführbar ist.
5. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Fertigungsoperation ohne externe Energiequelle bis kurz nach einem unteren Totpunkt UT der Presse (2) ausführbar ist.
6. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Fertigungsoperation nach dem unteren Totpunkt UT der Presse (2) über einem Druckabfallpunkt C2 des Innenhochdruckumformens hinaus durch eine externe Energiequelle ausführbar ist.
7. Vorrichtung zum hydraulischen Innenhochdruckumformen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (20) für eine Fertigungsoperation wie Lochen, Stanzen, Schneiden, Fügen oder Gewindeschneiden vorgesehen ist.