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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest
zwei Profilschenkeln bestehenden Profils, bei welchem in einen ersten Profilschenkel
eine Nut eingebracht wird, in welche ein zweiter Profilschenkel
mit einer Stirnseite positioniert wird, wobei das der Nut benachbarte
Material des ersten Profilschenkels in einer Fügezone anschließend mit
einem die Fließgrenze
des Materials überschreitenden
Druck beaufschlagt wird, durch welchen das Material veranlasst wird,
sich derart auf die Seitenflächen
des zweiten Profilschenkels zuzubewegen, dass sich zumindest eine
kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem ersten Profilschenkel und dem zweiten Profilschenkel
ausbildet.
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Ein
linienförmiges,
umformtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Profils der eingangs
genannten Art ist bereits aus der
DE 196 22 760 A1 bekannt, wobei derartige
Profile insbesondere in der Bauwirtschaft, im Fensterbau im Fahrzeug-
oder Maschinenbau oder ähnlichen
Verwendungsgebieten eingesetzt werden. Das Verfahren zeichnet sich
unter anderem durch eine hohe Prozesssicherheit bei gleichzeitig
geringen Werkzeug-/Anlagekosten aus. Mittels des Verfahrens lassen
sich Hybridstrukturen mit beliebeigen Werkstoffkombinationen herstellen. So
können
beispielsweise Hybridprofile aus einem Stahl-Kunststoffverbund zu Isolierprofilen
mit hoher Wärmedämmung für Fenster
und Fassaden hergestellt werden oder Hohlprofile mit optimierten
Querschnitten aus hoch und höchstfesten
Stahlwerkstoffen zu Crash-Profilen für die Kfz-Industrie entstehen. Außerdem können spezielle,
nicht schweißbare
oder höherfeste
Stahlwerkstoffe und Edelstähle
sowie die Kombination verschiedener Metalle oder Nichtmetalle innerhalb
eines Profils verarbeitet werden. Auch Halbzeuge mit Oberflächenbeschichtungen
können ohne
Zusatzaufwand verarbeitet werden.
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Allerdings
erweist es sich als nachteilig, dass die Herstellung von gekrümmten Profilen
mittels des genannten Verfahrens nicht prozesssicher durchgeführt werden
kann.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das
beschriebene Verfahren dahingehend zu verbessern, dass gekrümmte Profile prozesssicher
hergestellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also
ein Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Profilschenkeln
bestehenden Profils vorgesehen, bei welchem die Profilschenkel jeweils
zwischen einander gegenüber
liegenden Walzen mit einer Umformkraft beaufschlagt werden, durch
welche die Profilschenkel in einer Walzebene unsymmetrisch ausgewalzt
werden. Hierdurch kann in die mittels des eingangs genannten linienförmigen umformtechnischen
Herstellungsverfahrens gefügten
Profilstrukturen prozesssicher eine Krümmung bzw. Biegung eingebracht
werden. Dabei wird das Profil bzw. werden die Profischenkel in der
Walzebene in einer für
den jeweiligen gewünschten
Biege- bzw. Krümmungsradius
berechneten Auswalztiefe ausgewalzt. Durch die derart gezielt entstandenen
Wandstärkenänderungen
der Profilschenkel bzw. Volumenverschiebungen des Profilquerschnitts
entsteht die gewünschte
und definierte Längskrümmung der
Profilschenkel bzw. des Profils. Durch das Profil allseitig umschließende Walzen,
beispielsweise ein Walzwerk, lassen sich sowohl zwei- als auch dreidimensional
gekrümmte
Profile herstellen.
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Dabei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Profilschenkel
jeweils durch Walzen mit voneinander abweichenden Durchmessern ausgewalzt
und mit unterschiedlichen Flächenpressungen
beaufschlagt werden. Durch Walzen mit unterschiedlichen Durchmessern
können
zusätzlich
verschiedene Flächenpressungen
erzeugt werden, welche im Material lokal Fließprozesse induzieren. Durch
die Hertzsche Flächenpressung
ist es möglich, den
plastischen und den elastischen Bereich beim umzuformenden Profil
getrennt zu behandeln. Hierdurch kann die Position der Biegelinie
frei bestimmt werden.
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Ein
weitere Möglichkeit
die Flächenpressung gezielt
zu verändern
bzw. an die jeweiligen Verfahrensbedingungen anzupassen, besteht
darin, dass eine der Walzeneines Walzenpaares mit einer in Richtung
der anderen Walze gerichteten veränderbaren Anpresskraft beaufschlagt
wird.
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Eine
andere zweckmäßige Weiterbildung des
vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass die Drehachsen
der einander gegenüber liegenden
Walzen vor dem Auswalzen derart zueinander ausgerichtet werden,
dass die Walzen einen konisch ausgebildeten Walzspalt bilden. Durch
den konisch ausgebildeten Walzspalt wird eine weitere zusätzliche
Möglichkeit
zur Verfügung
gestellt, die für die
gewünschte
Profilkrümmung
erforderliche Volumenverschiebung bzw. Wandstärkenänderung innerhalb des Profils
bzw. der Profilschenkel zu erreichen.
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Dabei
erweist es sich als besonders praxisnah, dass ein Winkel und/oder
ein Abstand zwischen den Drehachsen der Walzen vor dem Auswalzen
variabel eingestellt wird. Hierdurch können unterschiedliche Profilkrümmungen
hergestellt und der Walzspalt an unterschiedliche Profilkonstruktionen
oder Materialien mit unterschiedlichen Fließgrenzen angepasst werden.
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Bei
Profilen bzw. Profilschenkeln aus Materialien, die eine niedrige
Fließgrenze
aufweisen, kann der Biegevorgang alleine durch das unsymmetrische Auswalzen
realisiert werden. Eine besonders vorteilhafte Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird jedoch dadurch erreicht, dass im Anschluss an das Auswalzen
der Profilschenkel eine zusätzliche
Biegekraft, insbesondere mittels einer beweglichen Biegerolle, in
die Profilschenkel eingeleitet wird. Hierdurch wird eine Möglichkeit
geschaffen auch Profile aus Materialien mit einer hohen Fließgrenze
mit einer Krümmung
zu versehen. Durch das Auswalzen wird der Werkstoff zunächst zum
Fließen
gebracht und anschließend
kann unter Zuhilfenahme der beweglichen Biegerolle die gewünschte Biegung
erzeugt werden. Bei einem Einsatz der Biegerolle bei Materialien
mit niedriger Fließgrenze übernimmt
die Biegerolle nur eine Kalibrierfunktion.
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Eine
andere besonders zweckmäßige Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass in
die Seitenflächen
des zweiten Profilschenkels vor der Positionierung in der Nut des
ersten Profilschenkels in einem der Nut zugewandten unteren Bereich
Aussparungen und/oder Durchbrechungen und/oder Vertiefungen und/oder Erhebungen
eingebracht werden. Hierdurch wird die Festigkeit der Verbindung
erhöht,
da sich eine kraft- und formschlüssige
Verbindung zwischen den Profilschenkeln ausbildet.
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Dadurch,
dass die Profilschenkel vor der Bearbeitung von einem Blechcoil
abgetrennt werden, lassen sich nahezu alle Profillängen in
einem kontinuierlichen Fertigungsprozess herstellen.
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In
einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung
des Verfahrens ist vorgesehen, dass das unsymmetrische Auswalzen
der Profilschenkel vor dem Einbringen der Nut in den ersten Profilschenkel
erfolgt. Die zu verbindenden Profilschenkel werden also vor dem
Herstellen der Fügeverbindung
entsprechend ihrer werkstoffkundlichen Anforderungen gleichmäßig gekrümmt. Hierbei
erweist sich die durch die Biegeoperation nicht belastete Fügezone als
besonders vorteilhaft. Dabei können
die Profilschenkel beispielsweise derart ausgewalzt werden, dass
sich das für
den anschließenden
Fügevorgang erforderliche
Wanddickenverhältnis,
welches zur Gewährleistung
ausreichender Verbindungseigenschaften erforderlich ist, ausschließlich im
Bereich der Fügezone
einstellt. Durch die hieraus resultierenden Gewichtseinsparungen
ergibt sich unter anderem eine Möglichkeit
das Leichtbaupotential, insbesondere im Fahrzeugbau besser ausnutzen
zu können.
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Eine
Abwandlung des Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass das unsymmetrische
Auswalzen der Profilschenkel durchgeführt wird, nach dem sich eine
kraftschlüssige
Verbindung zwischen den beiden Profilschenkeln ausgebildet hat.
Bereits gefertigte Profile lassen sich durch das nachgeschaltete Biegen
flexibel an den jeweiligen Einsatz- bzw. Einbaubedingungen anpassen.
Durch das gezielte Auswalzen des Profils kann die Volumenverschiebung des
Materials genutzt werden, die Festigkeit der Verbindung zwischen
den Profilschenkeln im Bereich der Fügezone zu erhöhen.
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In
einer weiteren Abwandlung der Erfindung ist vorgesehen, dass das
unsymmetrische Auswalzen der Profilschenkel und die Druckbeaufschlagung des
der Nut benachbarten Materials in der Fügezone synchron durchgeführt wird.
Ein besonderer Vorteil dieser Verfahrensvariante besteht in der
Integration des Auswalzens in den Fertigungsprozess zur Herstellung
der Fügeverbindung
zwischen den Profilschenkeln. Zusätzlich kann gleichzeitig durch
das Auswalzen das für
die Verbindung erforderliche Wanddickenverhältnis, welches zur Gewährleistung ausreichender
Verbindungseigenschaften erforderlich ist, im Bereich der Fügezone eingestellt
werden.
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Erfindungsgemäß wird weiter
vorgeschlagen, dass das unsymmetrische Auswalzen der Profilschenkel
mit Walzen durchgeführt
wird, welche in den den Fügezonen
zugewandten Bereichen Profilierungen aufweisen, wobei durch die
Profilierungen eine Einleitung einer die kraftschlüssige Verbindung zwischen
den Profilschenkeln schädigenden
Kraft verhindert wird und/oder durch die Profilierungen das der
Nut benachbarte Material des ersten Profilschenkels in einer Fügezone mit
einem die Fließgrenze
des Materials überschreitenden
Druck beaufschlagt wird, durch welchen das Material veranlasst wird,
sich derart auf die Seitenflächen
des zweiten Profilschenkels zuzubewegen dass sich zumindest eine
kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten Profilschenkel und dem zweiten Profilschenkel
ausbildet. Beim dem Fügen
der Profilschenkel nachgeschalteteten Biegen bzw. Auswalzen wird
durch derartige Profilierungen in den Walzen erreicht, dass die
bereits hergestellte kraft- oder/und formschlüssige Verbindung zwischen den
Profilschenkeln nicht geschädigt
wird. Bei dem integrierten synchronen Biege- und Fügevorgang sorgen
die Profilierungen in den Walzen dafür, dass sich im Bereich der
Fügezone
der zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung erforderliche
Materialfluss einstellt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
besteht die Möglichkeit
der Umsetzung moderner Leichtbaukonzepte, da die Herstellung von
gekrümmten
Hybridprofilen mit komplexen Querschnittsgeometrien bei gleichzeitig
geringen Werkzeug-/Anlagekosten erfolgen kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich insbesondere
im Automobilbau oder Schienenfahrzeugbau, zur Herstellung von Leichtmetall-
oder Stahl-Rahmenbauweisen, für
Strukturelemente in klassischen Blechbauweisen, z. B. Längs- oder Querträger und
für crashrelevante
Strukturen, wie beispielsweise Stoßfängerquerträger oder Türaufprallträger einsetzen.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese
zeigt in
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1 das
Einbringen einer Nut in einen ersten Profilschenkel mittels eines
Nutwerkzeuges in einer Querschnittsansicht;
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2 das
Andrücken
des der Nut benachbarten Materials des ersten Profilschenkels an
den zweiten Profilschenkel in einer Querschnittsansicht;
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3 eine
Darstellung einer kraftschlüssigen
Verbindung zwischen einem ersten Profilschenkel und einem zweiten
Profilschenkel;
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4a eine
Querschnittsansicht eines Profils während des Einbringens einer
Krümmung;
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4b das
in 4a dargestellte und gekrümmte Profil in einer Seitenansicht;
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5a eine
Querschnittsansicht eines Profilschenkels während des Einbringens einer
Krümmung;
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5b den
in 5a dargestellten Profilschenkel während der
Krümmung
in einer Seitenansicht.
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1 zeigt
das Einbringen einer Nut 1 in einen ersten Profilschenkel 2 mittels
eines Nutwerkzeugs 3 in einer Querschnittsansicht. Die
Nut 1 wird durch Einsenken oder Walzen in die Oberfläche des ersten
Profilschenkels 2 eingebracht. Hierbei verändert sich
das Gefüge
im Bereich der Umformzone 4, was durch die Strichelung
in 1 dargestellt ist. In die derart hergestellte
Nut 1 wird anschließend
ein zweiter Profilschenkel 5 mit einer Stirnseite 6 eingestellt.
Zur Herstellung eines aus den beiden Profilschenkeln 2, 5 bestehenden
Profils 7 wird anschließend, wie ein 2 schematisch
dargestellt, das der Nut 1 benachbarte Material 8 in
einer in der 2 gestrichelt dargestellten
Fügezone 9 mittels
zweier Druckrollen 10, 11 mit einem Druck beaufschlagt. Durch
diesen Druck wird die Fließgrenze
des Materials 8 im Bereich der Fügezone 9 überschritten
und das fließende
Material 8 wird gegen den zweiten Profilschenkel 5 bzw.
die Seitenflächen 12, 13 des
zweiten Profilschenkels 5 gedrückt. Durch das Andrücken des
Materials 8 an den zweiten Profilschenkel 5 entsteht
eine kraftschlüssige
oder/und formschlüssige Verbindung
zwischen dem ersten Profilschenkel 2 und dem zweiten Profilschenkel 5,
welche in der 3 in einer schematischen Ansicht
dargestellt ist.
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4a zeigt
eine Querschnittsansicht eines aus drei Profilschenkeln 2, 5 14 bestehenden
Profils 7, welches als so genannten I-Profil ausgestaltet
ist, während
des Einbringers einer Krümmung
bzw. Biegung. Die Profilschenkel 2, 5, 14 bzw.
das Profil 7 sind zwischen einander gegenüberliegenden
Walzen 15, 16, 17, 18 angeordnet
und werden mittels der Walzen 15, 16, 17, 18 mit
einer Umformkraft beaufschlagt, durch welche die Profilschenkel 2, 5, 14 in
einer Walzebene unsymmetrisch ausgewalzt werden. Aus dem unsymmetrischen
Auswalzen resultiert eine Volumenverschiebung bzw. eine Wandstärkenänderung,
welche zu der in 4b dargestellten Profilkrümmung führt. Um
die für
die gewünschte
Profilkrümmung
erforderliche Volumenverschiebung realisieren zu können ist
ein Winkel 19 und/oder Abstand 20 zwischen den
Walzen 15, 16 derart eingestellt, dass sich ein
konisch verlaufender Walzspalt 21 ausbildet. Im Bereich
der Fügezonen 9 weisen
die Walzen 15, 16 Profilierungen 22 auf,
welche verhindern, dass sich die durch die vorangestellten Verfahrenschritte
gebildete kraftschlüssige
Verbindung zwischen den einzelnen Profilschenkeln 2, 5 14 gelöst bzw.
beschädigt
wird. Alternativ besteht mittels der in 4a dargestellten
Walzenanordnung bzw. Walzenausbildung die Möglichkeit den zur Herstellung der
kraftschlüssigen
Verbindung zwischen den Profilschenkeln 2, 5, 14 abschließenden Verfahrenschritt und
das Biegen bzw. Einbringen der Krümmung synchron durchzuführen.
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Eine
weitere Verfahrensvariante nach welcher die Biegung bzw. das Einbringen
der Krümmung bereits
vor dem Einbringen der Nut 1, erfolgt ist in 5a und 5b dargestellt.
Hierbei werden die Profilschenkel 2, 5, 14 separat
in einem vorgeschalteten Biegeprozess zwischen zwei Walzen 23 umgeformt.
Die beiden Walzen 23 bilden einen konischen Walzspalt 24,
in welchem der Profilschenkel 2, 5,14 in
einer Walzebene unsymmetrisch ausgewalzt, wird, so dass sich eine
in 5b dargestellte Profilkrümmung in dem Profilschenkel 2, 5, 14 ausbildet.
Um aus den derart gekrümmten
Profilschenkeln 2, 5, 14 anschließend ein
Profil 7 herstellen zu können, ist es erforderlich dass
die zu verbindenden Profilschenkel 2, 5, 14 entsprechend
ihrer werkstoffkundlichen Anforderungen gleichmäßig gekrümmt werden.
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- 1
- Nut
- 2
- Profilschenkel
- 3
- Nutwerkzeug
- 4
- Umformzone
- 5
- Profilschenkel
- 6
- Stirnseite
- 7
- Profil
- 8
- Material
- 9
- Fügezone
- 10
- Druckrolle
- 11
- Druckrolle
- 12
- Seitenfläche
- 13
- Seitenfläche
- 14
- Profilschenkel
- 15
- Walze
- 16
- Walze
- 17
- Walze
- 18
- Walze
- 19
- Winkel
- 20
- Abstand
- 21
- Walzspalt
- 22
- Profilierung
- 23
- Walze
- 24
- Walzspalt