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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung von mittels des Innenhochdruck-Umformverfahrens
(IHU) zu kalibrierenden Halbzeugen, insbesondere Aluminium Strangpressprofilen.
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Aus
dem Stand der Technik, insbesondere aus dem automatisierten Karosseriebau,
ist es bekannt, Profile mittels des Innenhochdruck-Umformverfahrens
zu kalibieren, d. h. auf ein gewünschtes Maß aufzuweiten.
Dazu werden beispielsweise Halbzeuge in Form von Strangpressprofilen
aus Aluminium üblicherweise
ca. 1,5% kleiner ausgeführt
als das herzustellende Fertigteil. Dieses Halbzeug wird dann in
ein IHU-Werkzeug mit Innenmaßen,
welche den gewünschten
Außenmaßen des
herzustellenden Fertigteiles entsprechen, eingesetzt, und die offenen Seiten
des Halbzeuges werden für
den IHU-Prozess mit Hilfe von Dichtstempeln abgedichtet. Zur Abdichtung
werden beispielsweise Axial-Dichtstempel verwendet, welche seitlich
in das Werkzeug eingefahren werden und eine Dichtkraft in die seitlichen
Profilenden des Halbzeuges einleiten.
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Die
Einleitung der Dichtkraft in die seitlichen Profilenden des Halbzeuges
kann jedoch häufig
dazu führen,
dass das Halbzeug nachgibt und bereits vor dem IHU-Prozess verformt
wird, beispielsweise indem es eine Durchbiegung erfährt. Insbesondere
bei dünnwandigen,
höherfesten
Halbzeugen ruft die Einleitung der Dichtkraft Durchbiegungen oder
sonstige Verformungen hervor, welche sich auch nach Abschluss der
folgenden Innenhochdruck-Umformung nicht vollständig zurückbilden. Dies macht sich dadurch
bemerkbar, dass das innenhochdruckgeformte Fertigteil sich nach Öffnen des
IHU-Werkzeuges in die gebogene Form zurückfedert und erst verwendbar
ist, nachdem es in einem weiteren Prozessschritt gerichtet wurde.
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Die
DE 197 46 478 C2 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines Biegeträgers aus einem metallischen
Halbzeug, welches im Profil zwei Kammern aufweist. Dieses sogenannte
Mehrkammerprofil besitzt zwei einander gegenüberliegende Seitenwandungen,
welche die zwei Kammern seitlich begrenzen. Oberseitig und unterseitig
sind die zwei Kammern durch Verbindungsstege begrenzt, welche in
dem Halbzeug bogen- oder schleifenförmig ausgebildet sind. Beim
Umformen des Halbzeugs mittels IHU werden die Verbindungsstege gedehnt,
bis das Mehrkammerprofil außenseitig
einem IHU-Werkzeug anliegt.
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Die
DE 101 04 860 C1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils aus zwei aufeinanderliegenden
Platinen mittels IHU. An einer ersten Platine der zwei Platinen
werden vor dem Aufweiten mittels IHU lokale Wölbungen ausgeformt, so dass diese
erste Platine lokal im Querschnitt wellenförmig ausgebildet ist. Beim
Aufweiten der zwei aufeinanderliegenden Platinen in einem IHU-Werkzeug
werden die Wölbungen
der Platine ausgebeult und die Platine glattgezogen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auslegung
von mittels des Innenhochdruck-Umformverfahrens zu kalibrierenden Halbzeugen
zur Verfügung
zu stellen, welches eine Durchbiegung des Halbzeuges durch die Einleitung einer
Dichtkraft wirksam vermeidet und eine besonders hohe Maßhaltigkeit
gewährleistet.
Ferner soll ein Halbzeug zur Verfügung gestellt werden, welches sich
aufgrund einer für
eine nachfolgende Innenhochdruck-Umformung eingeleiteten Dichtkraft
nicht durchbiegt.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw.
9.
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Gemäß dem Verfahren
wird zur Auslegung von mittels des Innenhochdruck-Umformverfahrens (IHU)
zu kalibrierenden Halbzeugen an dem Halbzeug mindestens eine von
der zu erzielenden Geometrie abweichende erste Nebenform zur Erhöhung der
Biegesteifigkeit an dem Halbzeug ausgebildet. Als eine solche Nebenform
werden insbesondere Halbzeugprofile verstanden, welche von dem Profil des
zu verwendenden IHU-Werkzeuges insofern abweichen, als diese nicht
im mathematischen sinne ähnlich
zu diesen sind. Dadurch kann wirksam verhindert werden, dass bereits
vor dem Innenhochdruck-Umformverfahren die durch Dichtstempel eingeleitete
Dichtkraft zu einer Verformung, insbesondere einer Durchbiegung,
des Halbzeuges führt, wodurch
eine eine maßhaltige
Innenhochdruck-Umformung gewährleistet
werden kann. Rückverformungen
nach dem Öffnen
des IHU-Werkzeuges werden dadurch wirksam vermieden.
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Erfindungsgemäß wird die
Nebenform derart ausgebildet, dass das Halbzeug aufgrund der ersten Nebenform
bei geschlossenem IHU-Werkzeug in seiner Beweglichkeit in mindestens
einem ersten translatorischen Freiheitsgrad eingeschränkt ist,
wird die Durchbiegung des Halbzeuges aufgrund einer eingeleiteten
Dichtkraft in einer Biegungsrichtung nicht nur aufgrund einer erhöhten Biegesteifigkeit,
sondern ferner dadurch vermieden, dass das Halbzeug in einer Richtung
durch das IHU-Werkzeug eingeschränkt
ist. Es steht dem Halbzeug daher anders als bei den bekannten zur
Kalibrierung vorgesehenen Halbzeugen in dieser Richtung kein Raum
mehr für eine
Durchbiegung zur Verfügung.
Diese Ausführungsvariante
eignet sich besonders, wenn die Biegesteifigkeit, z. B. aufgrund
der Geometrie des Halbzeuges, in einer Richtung besonders niedrig
ist und daher insbesondere in dieser Richtung die Gefahr einer Durchbiegung
aufgrund der Dichtkraft besteht.
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Vorzugsweise
erfolgt die Auslegung des Halbzeuges mit Nebenformen derart, dass
die durch die Kalibrierung zu erfolgende Aufweitung im Wesentlichen
der Aufweitung von zu kalibrierenden Halbzeugen ohne Nebenformen
entspricht. Dadurch wird vermieden, dass die für das jeweilige Halbzeug übliche Skalierung
zur Kalibrierung durch die Ausbildung von Nebenformen beeinträchtigt wird.
Es wird also gewährleistet,
dass das Maß der
globalen Aufweitung erhalten bleibt und dass die Ausbildung von Nebenformen
den Kalibrierungsprozess diesbezüglich
nicht negativ beeinflusst.
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Wenn
besonders dünnwandige,
langgestreckte Halbzeuge mit kleinem Querschnitt, welche aufgrund
ihrer geringen Wandstärke
regelmäßig in zwei
Richtungen eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen, mittels des
IHU-Verfahrens kalibriert werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn
an dem Halbzeug zusätzlich
eine zweite Nebenform ausgebildet wird, wobei das das Halbzeug aufgrund
der zweiten Nebenform bei geschlossenem IHU-Werkzeug in seiner Beweglichkeit
in einem zweiten translatorischen Freiheitsgrad eingeschränkt wird.
Dann steht dem Halbzeug in dem geschlossenen IHU-Werkzeug in zwei Richtungen
kein Raum mehr für
eine Durchbiegung zur Verfügung.
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Prinzipiell
können
zwar zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
an dem Halbzeug alle von der erzielenden Geometrie abweichenden Nebenformen
ausgebildet werden, welche die Biegesteifigkeit erhöhen, bevorzugt
werden jedoch an dem Halbzeug als Nebenformen Außenwölbungen, insbesondere Außenwölbungen
mit großen
Radien ausgebildet. Mit Hilfe von Versuchen konnte festgestellt
werden, dass die Ausbildung von Außenwölbungen die Maßhaltigkeit
der durch den nachfolgenden IHU-Prozess erzeugten Fertigteile positiv
beeinflusst. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn
die Außenwölbungen
derart gestaltet sind, dass ein Teilbereich der Außenwölbung im
geschlossenen Zustand des IHU-Werkzeuges flächig mit diesem zur Anlage
kommt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders, wenn als Halbzeug ein Aluminiumprofil, insbesondere
ein Strangpressprofil aus Aluminium verwendet wird. Aluminiumprofile
sind durch Strangpressen nur mit relativ großen Toleranzen herstellbar.
Daher ist es zur Weiterverarbeitung, insbesondere im automatisierten
Karosseriebau, regelmäßig erforderlich,
Aluminium Strangpressprofile mittels IHU zu kalibrieren und diese
dadurch zuverlässig
auf vorgegebene Maße
mit geringen Toleranzen weiterzuverarbeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Maßhaltigkeit
von Aluminiumprofilen, welche mittels IHU kalibriert werden gesteigert
werden. Die Zahl derjenigen Fertigteile, welche nur nach einer zeit-
und kostenintensiven Nachbearbeitung verwendbar sind, lässt sich
somit deutlich reduzieren, was zu einer deutlichen Senkung der durchschnittlichen
Herstellungskosten von mittels IHU kalibrierten Fertigteilen führt.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Halbzeug unter Berücksichtigung
der Nebenformen derart dimensioniert, dass es gegenüber den
Außenmaßen des
nachfolgend zu verwendenden IHU-Werkzeuges um –1% bis –3%, insbesondere um –1,5% skaliert
ist. Eine solche Dimensionierung eignet sich insbesondere bei Halbzeugen
aus Aluminium, wenn eine besonders hohe Maßhaltigkeit erzielt werden
soll.
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Durch
einfache praktische Versuche oder mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) kann
je nach Geometrie des zu erzielenden Fertigteiles die Nebenform
derart ausgestaltet werden, dass diese bei dem nachfolgenden Innenhochdruck-Umformvorgang
praktisch vollständig
zurückgebildet
wird. Insbesondere wenn das Fertigteil im Sichtbereich eines Endproduktes
eingesetzt werden soll, ist es erstrebenswert, dass die vor dem
IHU-Prozess ausgebildeten Nebenformen das Design des Fertigteiles
nicht mehr beeinträchti gen.
In solchen Fällen
ist es empfehlenswert, mit Hilfe von Versuchen oder der FEM die
Anzahl, Gestaltung und Positionierung der Nebenformen wie vorstehend
beschrieben zu optimieren.
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Die
Erfindung zeigt sich auch an einem erfindungsgemäßen Halbzeug zum Einsetzen
in ein IHU-Werkzeug, dessen Profil mindestens eine erste Nebenform
aufweist, welche von dem Profil des geschlossenen IHU-Werkzeuges
abweicht, wobei das Halbzeug aufgrund der ersten Nebenform bei geschlossenem
IHU-Werkzeug in seiner Beweglichkeit in mindestens einem ersten
translatorischen Freiheitsgrad eingeschränkt ist. Auf die vorstehend
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargelegten Vorteile
wird hiermit verwiesen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen
sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 ein
in einem geschlossenen IHU-Werkzeug angeordnetes Halbzeug gemäß dem Stand
der Technik,
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2 das
in 1 gezeigte Halbzeug gemäß dem Stand der Technik in
einer Schnittdarstellung gemäß der Linie
II-II, in welches durch Dichtstempel Dichtkräfte F eingeleitet werden,
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3 ein
in einem geschlossenen IHU-Werkzeug angeordnetes erfindungegemäßes Halbzeug
in einer ersten Ausführungsform
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4 ein
in einem geschlossenen IHU-Werkzeug angeordnetes erfindungsgemäßes Halbzeug
in einer zweiten Ausführungsform,
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5 ein
in einem geschlossenen IHU-Werkzeug angeordnetes erfindungsgemäßes Halbzeug
in einer dritten Ausführungsform
in einer schematischen Darstellung sowie
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6 ein
in einem geschlossenen IHU-Werkzeug angeordnetes erfindungsgemäßes Halbzeug
in einer vierten Ausführungsform
in einer schematischen Darstellung.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird im folgenden anhand der 1 und 2 noch einmal
kurz die Problematik des Standes der Technik dargelegt.
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1 zeigt
ein Halbzeug 100 gemäß dem Stand
der Technik, welches in einem geschlossenen IHU-Werkzeug 110 angeordnet
ist. Das IHU-Werkzeug besteht aus einem Werkzeug-Oberteil 112 und einem
Werkzeug-Unterteil 114, welche im geschlossenen Zustand
einen Hohlraum 116 mit rechteckigem Querschnitt bilden.
Dieser Hohlraum 116 gibt die Geometrie des durch eine Innenhochdruck-Umformung
zu formenden Fertigteiles vor, welche vorliegend quaderförmig ist
(siehe 1 und 2). Das Halbzeug 100 gemäß dem Stand
der Technik weist ebenfalls ein rechteckiges Profil auf. Die Profilgeometrie
des Halbzeuges 100 stimmt folglich mit der Geometrie des
zu formenden Fertigteiles überein, wobei
das Halbzeug kleiner dimensioniert ist, um mittels IHU ausgeweitet
und maßhaltig
gestaltet werden zu können.
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Vor
dem IHU-Prozess wird das Halbzeug 100 durch zwei in seitliche Öffnungen 120, 122 des Werkzeuges
einfahrbare Dichtstempel 124, 126 abgedichtet,
wozu eine Dichtkraft F in die seitlichen Profilenden des Halbzeuges 100 einleiten.
Weist das Halbzeug, wie in 2 gezeigt,
nur eine geringe Biege steifigkeit auf, führt die in die seitlichen Profilenden des
Halbzeuges 100 eingeleitete Dichtkraft F zu einer Durchbiegung
des Halbzeuges 100, so dass dessen Mittelline nicht mehr
geradlinig, sondern entlang eines Radius R verläuft.
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Anhand
der nachfolgend beschriebenen 3 bis 6 werden
vorteilhafte Ausführungen der
Erfindung beschrieben, wobei für
mit in den 1 und 2 übereinstimmende
Elemente um 100, 200 etc. erhöhte Bezugszeichen verwendet
werden.
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3 zeigt
ein in einem geschlossenen IHU-Werkzeug 210 angeordnetes
erfindungegemäßes Halbzeug
in einer ersten Ausführungsform.
Das IHU-Werkzeug 210 mit
Werkzeug-Oberteil 212 und Werkzeug-Unterteil 214 ist
identisch mit dem in den 1 und 2 gezeigten
Werkzeug. Das Halbzeug 200 unterscheidet sich jedoch dahingehend,
dass das Profil des Halbzeuges 200 eine erste Nebenform 230 und
eine zweite Nebenform 232 aufweist, so dass das Profil
des Halbzeuges 200 ersichtlich von dem Profil des geschlossenen
IHU-Werkzeuges 210 abweicht und eine erhöhte Biegesteifigkeit,
insbesondere um die mit x bezeichnete Achse, aufweist. Wie in 3 zu
sehen, stimmt das Profil des Halbzeuges 200 in der in 3 gezeigten
Ausführungsform
ferner in dem Maß h
im Wesentlichen mit der Höhe
H des geschlossenen IHU-Werkzeuges 210 überein. Dadurch wird ferner
aufgrund der räumlichen
Verhältnisse
verhindert, dass das Halbzeug 200 aufgrund einer eingeleiteten
Dichtkraft eine Biegung um die x-Achse erfährt. Eine Biegung ist bei der
in 3 gezeigten Ausführungsform des Halbzeuges 200 lediglich
um die mit y bezeichnete Achse möglich.
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4 zeigt
ein in einem geschlossenen IHU-Werkzeug 310 angeordnetes
erfindungsgemäßes Halbzeug 300 in
einer zweiten Ausführungsform. Das
IHU-Werkzeug 310 mit Werkzeug-Oberteil 312 und
Werkzeug-Unterteil 314 ist identisch mit dem in den 1 und 2 gezeigten
Werkzeug. Das Halbzeug 300 weist jedoch eine erste Nebenform 330 auf,
welche im linken unteren Bereich des Profilquerschnitts angeordnet
ist und deren Anordnung so gewählt
ist, dass das Halbzeug 300 aufgrund der Nebenform 330 in
seiner Beweglichkeit innerhalb des geschlossenen IHU-Werkzeuges 310 in
zwei translatorischen Freiheitsgraden eingeschränkt ist. Es kann weder in Richtung
der x-Achse noch in Richtung der y-Achse verschoben werden. Dadurch
ist die Gefahr, dass das Halbzeug 300 eine Durchbiegung
um die x-Achse oder um die y-Achse erfährt, deutlich reduziert. Denn
zum einen ist aufgrund der Ne benform 330 die Biegesteifigkeit
erhöht,
und zum anderen erschwert die geometrische Anpassung des Halbzeuges 300 an
die Höhe
H und die Breite B der den Hohlraum 316 begrenzenden Wandungen
des IHU-Werkzeuges 310 eine Biegung um die x- bzw. y-Achse.
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Wie
anhand des in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Halbzeuges 400 gemäß einer
dritten Ausführungsform
gezeigt, ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf einfache Profilgeometrien beschränkt. Es ist auf beliebige Geometrien
anwendbar und eignet sich insbesondere auch für Hohlprofile mit im Inneren
angeordneten Stützstegen 440, 442, 444. Das
in 5 gezeigte Halbzeug weist lediglich eine, im oberen
Bereich des Halbzeuges 400 ausgebildete Nebenform 430 auf.
Die Nebenform 430 weist im Profil eine unstetige Kontur
auf und kommt daher bei geschlossenem IHU-Werkzeug 410 in
einem linienförmigen
Bereich mit dem IHU-Werkzeug in Kontakt. Eine solche Nebenform lässt sich
kostengünstig
herstellen und führt
dabei zu einer guten Maßhaltigkeit von
im nachfolgenden IHU-Prozess erzeugten Fertigteilen.
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Das
in 6 gezeigte erfindungsgemäße Halbzeug 500 gemäß einer
vierten Ausführungsform weist
wie das in 5 gezeigte Halbzeug nur eine Nebenform 530 auf.
Die Nebenform 530 des in 6 gezeigten
Halbzeuges ist jedoch im unteren Bereich des Halbzeuges 500 ausgebildet.
Ferner weist die Nebenform 530 des Halbzeuges 500 eine
stetige Kontur mit großen
Radien und einem flächigen
Bereich 550 auf. Demzufolge kommt die Nebenform 550 bei
geschlossenen IHU-Werkzeug 510 in einem flächenförmigen Bereich
mit dem IHU-Werkzeug in Kontakt. Durch einen derartigen flächigen Kontakt zwischen
Nebenform 530 des Halbzeuges 500 und IHU-Werkzeug 510 wird
nicht nur eine besonders hohe Sicherheit gegen ungewünschte Biegungen des
Halbzeuges durch eingeleitete Dichtkräfte erzielt, sondern darüber hinaus
weist ein solches Halbzeug ein besonders gutes Rückformungsverhalten auf.
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Wie
anhand der 5 und 6 gezeigt, kann
eine Erhöhung
der Biegesteifigkeit des Halbzeuges 400, 500 auch
ausschließlich
dadurch erfolgen, dass die Nebenform an dem Halbzeug 400, 500 derart
angeordnet ist, dass das Halbzeug 400, 500 aufgrund
der Ausbildung der Nebenform 430, 530 bei geschlossenem
IHU-Werkzeug 410, 510 in seiner Beweglichkeit
in mindestens einem ersten translatorischen Freiheitsgrad eingeschränkt ist.
Eine deutliche Erhöhung
der Biegesteifigkeit des Halbzeuges 430, 530 ist
in diesen Ausfüh rungsformen
aufgrund der mit sehr weichen Übergangsbereichen
gestalteten Nebenformen nicht zu erwarten. Daher wird an dieser
Stelle noch einmal betont, dass eine vorliegend eine Erhöhung der
Biegesteifigkeit nicht zwingend eine Erhöhung der Biegesteifigkeit des
Bauteiles als solches bedeuten muss, sondern auch ausschließlich eine
Dimensionierung des Halbzeuges derart sein kann, dass eine Durchbiegung
aufgrund der Einwirkung des geschlossenen IHU-Werkzeuges 410, 510 verhindert
wird. Eine solche Einwirkmöglichkeit
des IHU-Werkzeuges wird ebenfalls als eine Erhöhung der Biegesteifigkeit im
Sinne der Erfindung angesehen.