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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Kerbe oder
einer kerbähnlichen Vertiefung in ein einen Hohlraum oder
eine Kammer aufweisendes Werkstück aus Metall im Wege eines Druckumformvorganges.
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Bei
bestimmten zu montierenden Gegenständen, wie beispielsweise
bei Kopfstützen in einem Kraftfahrzeug werden diese durch
Festsetzen zylindrischen Rohrabschnitte festgelegt. Die festzulegenden
Rohrabschnitte verfügen über Einkerbungen, in die
zum Verriegeln ein als Riegel dienendes Element eingreift. Dieses
kann beispielsweise der Schenkel eines Federelementes sein. Derartige
Verriegelungsanordnungen werden zur Montage bei unterschiedlichen
Gegenständen, beispielsweise zum Montieren von Kopfstützen
in der Rückenlehne der Rücksitze eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt. Gemäß einem herkömmlichen
Verfahren werden in die beiden zu verankernden Rohrabschnitte Einkerbungen
im Wege eines Einpressvorganges eingebracht. Bei diesem Verfahren
wird ein als Meißel ausgebildetes Einpresswerkzeug auf
einer radialen Bewegungsbahn bezogen auf die Längsachse
des Rohrabschnitts an derjenigen Stelle des Rohres abgesenkt, in
das die Einkerbung eingebracht werden soll. Zum Durchführen
dieses Verfahrens ist es, um ein Eindrücken der Rohrwand
auf den Bereich der gewünschten Kerbenausbildung zu beschränken,
notwendig, dass zum Abstützen der Wandbereiche des Rohres,
die nicht zur Ausbildung der Kerbe umgeformt werden sollen, in das
Rohrinnere Widerlagerstäbe angeordnet werden.
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Die
in einen solchen Rohrabschnitt einzubringenden Kerben sollen die
Rohrwand nicht durchtrennen. Der Tiefe einer auf diese Weise in
eine Rohrwandung eingebrachten Kerbe sind Grenzen gesetzt, und zwar
dadurch, dass bei einer zu großen Eindrucktiefe der eingedrückte
Wandabschnitt von den angrenzenden Wandbereichen des Rohres abreißt.
Nachteilig ist bei diesem vorbekannten Verfahren ferner, dass die
ausgebildete Kerbe oder Nut einfallende Flanken, vor allem im Bereich
des Übergangs von der Rohrwandung in die Kerbe oder Nut aufweist.
Bedingt durch die einfallenden Flanken und die nur begrenzte Tiefe,
mit der eine solche Kerbe ausgebildet werden kann, kann ein darin
eingreifendes, zum Festsetzen des Rohrabschnitts dienendes Riegelelement
bei Anlegen einer entsprechenden, auf den Rohrabschnitt wirkenden
Auszugskraft das Riegelelement aus der Kerbe herausbewegt und damit
der Rohrabschnitt aus seiner Verankerung gelöst werden.
Dieses ist jedoch mitunter unerwünscht.
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Aus
EP 1 710 035 A1 ist
ein weiteres Verfahren bekannt geworden, Kerben der vorgenannten
Art in zylindrische Körper einzubringen. Gemäß dem
in diesem Dokument beschriebenen Verfahren wird die Kerbe mit einem
bestimmten Sägeprozess in das Rohr eingebracht. Zwar lassen
sich beim Sägen die bei dem vorbeschriebenen Eindrückprozess
entstehenden geneigten bzw. gekrümmten Einfallflanken vermeiden,
jedoch wird die unausweichliche Spanbildung beim Sägen
aufgrund der damit einhergehenden Verletzungsgefahr als nachteilig
angesehen. Dieses Verfahren lässt sich überdies
nur bei solchen zu verankernden zylindrischen Gegenständen
einsetzen, die eine ausreichende Wandstärke aufweisen,
damit durch den Sägevorgang die Wand des festzusetzenden
Rohrkörpers nicht durchtrennt wird. Bei dünnwandigen
Rohrabschnitten kann dieses Verfahren zum Einbringen der gewünschten
Nuten oder Kerben daher nicht eingesetzt werden.
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Aus
DE 299 15 103 U1 ist
eine Vorrichtung zum Einbringen einer Vertiefung in ein Werkstück
bekannt. Diese Vorrichtung verfügt über ein Werkzeug mit
einem zumindest bereichsweise keilförmig ausgestalteten
Werkzeug. Dieses Werkzeug, welches in diskreten Schritten in tangentialer
Richtung zu der Längsachse des Rohres, in welches die Kerbe
eingebracht werden soll, bewegt wird, wird durch eine hammerartig
wirkende Presseinrichtung, die in radialer Richtung zum Rohr wirkt,
von der Mantelfläche des Rohres in radialer Richtung in
dieses eingehämmert. Im Zuge des fortlaufenden Hämmerprozesses wird
das sukzessive eine größere Breite aufweisende keilförmige
Werkzeug in tangentialer Richtung zu dem Rohr bewegt, so dass sukzessive
breitere Bereiche des Werkzeuges in die Oberseite des Rohres eingepresst
werden. Somit erfolgt ein Einbringen einer Kerbe gemäß dieser
vorbekannten Vorrichtung letztendlich in derselben Art und Weise
wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik mit dem Unterschied,
dass das Einbringen der Kerbe durch eine Vielzahl einzelner Einpressvorgänge
mit sukzessive breiter werdendem Werkzeug durchgeführt wird.
Durch das tangentiale Bewegen des Werkzeuges brauchen die Flanken
einer solchen Kerbe nicht einfallend zu sein, sondern können
etwa rechtwinklig zur Mantelfläche des Rohres verlaufen.
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Ausgehend
von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein eingangs Verfahren dergestalt weiterzubilden, dass
der Druckumformprozess zum Einbringen einer Kerbe oder einer kerbähnlichen
Vertiefung in ein solches Werkstück besser gesteuert werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs
genannte gattungsgemäße Verfahren gelöst,
bei dem zum Ausbilden der Kerbe ein hydraulischer Hochdruckumformprozess
zweistufig durchgeführt wird, wobei in einem ersten Hochdruckumformschritt
Material in demjenigen Bereich des Werkstückes, in dem
die Kerbe oder die kerbähnliche Vertiefung eingebracht
werden soll, von der Innenseite hochdruckbeaufschlagt nach außen
hin umgeformt wird und wobei in einem zweiten Hochdruckumformschritt
auf den Bereich des Werkstückes ein von außen
nach innen gerichteter Druck zum Eindrücken des im Wege
des ersten Umformschrittes nach außen gedrückten
Materials nach innen in den Hohlraum oder die Kammer des Werkstückes
hinein umgeformt wird.
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Bei
diesem Verfahren wird der Druckumformprozess zum Einbringen der
Kerbe oder der kerbähnlichen Vertiefung in das Werkstück
im Wege eines hydraulischen Hochdruckumformverfahrens (Hydroforming)
durchgeführt. Das Hochdruckumformen gestattet das Aufbringen
eines zum Umformen notwendigen Druckes in einem definierten Bereich
des Werkstückes, verbunden mit einer sehr präzisen
Einstellung der zum Umformen verwendeten Parameter, die maßgeblich
von der Differenz zwischen der druckbeaufschlagten Seite des Werkstückes
und der nicht oder mit einem geringerem Druck beaufschlagten Seite
des Werkstückes bestimmt sind. Zum Erstellen der Kerbe
oder der kerbähnlichen Vertiefung wird das Werkstück
in zwei Prozessschritten hochdruckumgeformt. In einem ersten Schritt
wird das Material des Werkstückes im Bereich der zu erstellenden
Vertiefung von innen nach außen und somit in umgekehrter
Richtung der Tiefe der zu erstellenden Kerbe gedrückt.
Bei diesem Vorgang wird das Material im Bereich der zu erstellenden
Kerbe gestreckt, wobei dieses nach Art einer Blase aus der äußeren Mantelfläche
des Werkstückes, in das die Kerbe eingebracht werden soll,
herausgedrückt wird. Bei diesem ersten Umformschritt ist
die Innenseite des Werkstückes die Druckseite. Der zweite
Innenhochdruckumformschritt wird mit umgekehrten Druckverhältnissen
durchgeführt, wobei sich die Druckseite nunmehr an der äußeren
Mantelfläche des Werkstückes befindet. Infolge
der zuvor durchgeführten Dehnung des Materials, einhergehend
mit einer Ausdünnung der Wandstärke in dem Bereich
des Werkstückes, in dem die Kerbe oder kerbähnliche
Vertiefung eingebracht werden soll, wird dieses bei einer Druckbeaufschlagung
des Werkstückes von außen in das Innere des Werkstückes
hinein umgestülpt. Bei diesem Vorgang bildet sich die gewünschte
Kerbe oder kerbähnliche Vertiefung.
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Bei
den beiden Umformschritten erfolgt eine lokale Druckbeaufschlagung
von der jeweils notwendigen Seite im Bereich des Werkstückes,
der dem Umformprozess unterworfen werden soll und somit in dem die
Kerbe einzubringen ist. Bei dem ersten von innen nach außen
gerichteten Umformschritt werden die an die zu erstellende Kerbe
benachbarten Bereiche des Werkstückes außenseitig
abgestützt, so dass bei einer Druckbeaufschlagung des Werkstückes
von innen ausschließlich an demjenigen Bereich Material
nach außen gedrückt werden kann, welches außenseitig
nicht abgestützt ist. Bei einem als Rohrstück
eingesetzten Werkstück kann eine solche außenseitige
Abstützung beispielsweise durch ein als Werkzeug dienendes äußeres
Rohr gebildet sein, das an der oder den Positionen, an denen eine Kerbe
in das Werkstück eingebracht werden sollen, Schlitze aufweist.
Zum Erzielen der gewünschten Abstützanordnung
ist der Außendurchmesser des als rohrförmigen
Werkstückes an den Innendurchmessers des Stützrohres
als Werkzeug angepasst. Bei einer Druckbeaufschlagung der Innenseite
des rohrförmigen Werkstückes wird das Material
des Werkstückes in die Freilassung in dem Werkzeug, beispielsweise
den Schlitz eingedrückt.
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Infolge
der Materialausdünnung durch den ersten Umformschritt ist
es grundsätzlich nicht erforderlich, dass beim Durchführen
des zweiten Umformschrittes eine innenseitige Abstützung
des rohrförmigen Werkstückes vorhanden ist. Die
durch die Dehnung des Materiales gleichzeitig erfolgte Ausdünnung
der Wandstärke und somit erfolgte Schwächung des
Werkstückes an derjenigen Stelle, an der die Kerbe einzubringen
ist, begrenzt bei entsprechender Druckbeaufschlagung der Außenseite
den Umformprozess des Werkstückes auf den oder die durch
den ersten Umformschritt gebildeten Schwächezonen. Die
durch den ersten Umformschritt nicht geschwächten Bereiche
des Werkstückes begrenzen von selbst den Bereich der Umformung.
Hierbei empfiehlt es sich, bei Druckbeaufschlagung der Außenseite
des Werkstückes zum Durchführen des zweiten Umformschrittes
einen Gegendruck im Werkzeuginneren aufzubauen, damit der Druckkontrast
zwischen der Druckseite (außen) und dem Innenraum des Werkstückes
dergestalt eingestellt wird, um den Umformprozess auf die zuvor
eingebrachten Schwächezonen zu beschränken.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es
zeigen:
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1a, 1b:
ein als Werkstück dienendes Rohrstück mit darin
eingebrachten Kerben in einer Draufsicht (1a) sowie
in einer Seitenansicht (1b),
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2:
eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes
aus dem Rohrstück der 1 im
Bereich einer Kerbe während eines ersten Prozessschrittes
zum Erstellen der Kerbe und
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3:
das Rohrstück der 2 kurz vor dem
Abschluss des Durchführens eines weiteren Umformschrittes
zum Erstellen der Kerbe.
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Ein
Rohrstück 1 weist mehrere Kerben K auf. Bei dem
Rohrstück 1 handelt es sich um einen Abschnitt
einer Kopfstütze eines Kraftfahrzeuges. Die Kerben K dienen
dem Zweck, damit die Kopfstütze fahrzeugseitig durch ein
darin eingreifendes Riegelelement festgesetzt werden kann. Die Kerben
K sind in das Rohrstück 1 im Wege einer Druckumformung, eingebracht
worden. Als Druckumformprozess wurde ein Hochdruckumformverfahren
unter Verwendung einer Flüssigkeit zur Druckbeaufschlagung
des Werkstückes verwendet, wie dieses nachstehend erläutert
ist.
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In
einem ersten Hochdruckumformschritt wird zunächst das bezüglich
der Kerben K unbearbeitete Rohrstück 1 in eine
Außenform 2 eingeschoben. Bei der Außenform 2 handelt
es sich um ein Formwerkzeug, das als Widerlager an der äußeren
zylindrischen Mantelfläche des Rohrstücks 1 anliegt.
Das Werkzeug 2 weist Schlitze 3 an denjenigen
Stellen auf, an denen die Kerben K in das Rohrstück 1 eingebracht
werden sollen. Bei einer Beaufschlagung des in das Werkzeug 2 eingesetzten
Rohrstücks 1 mit Innendruck werden diejenigen
Wandbereiche des Rohrstücks 1 verformt, die sich
im Bereich der Schlitze 3 des Werkzeugs 2 befinden,
wie diese schematisiert in 2 anhand
eines Schlitzes 3 des Werkzeuges 2 dargestellt
ist. Verbunden mit diesem Vorgang ist ein Dehnen der Wandbereiche
des Rohrstücks 1, die in dem Schlitz 3 eingedrückt
werden. Das Material 4 wird durch diesen Vorgang nach Art
einer Blase nach außen in den Schlitz 3 des Werkzeugs 2 eingedrückt.
Dieser erste Schritt des Hochdruckumformens, bei welchem es sich
um einen Innenhochdruckumformprozess handelt, wird solange durchgeführt,
bis eine für den nachfolgenden Hochdruckumformschritt ausreichende
Dehnung des Materials 4 unter Reduzierung der Wandstärke
eingetreten ist. Anschließend kann das Rohrstück 1 aus
dem Werkzeug 2 herausgenommen werden, um den zweiten Hochdruckumformprozess
durchzuführen. Gleichermaßen ist es möglich,
das Rohrstück 1 in dem Werkzeug 2 zu
belassen, um den zweiten Hochdruckumformschritt durchzuführen.
Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel
verbleibt das Rohrstück 1 in dem Werkzeug 2.
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Zum
Durchführen des zweiten Hochdruckumformschrittes verfügt
das Werkzeug 2 über einen Druckkanal 5,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringkanal
ausgebildet ist. Der Druckkanal 5 wird zum Durchführen
des zweiten Umformschrittes mit Druck beaufschlagt, so dass bei
diesem Schritt die Außenseite des Rohrstücks 1 die Druckseite
darstellt und in dem Inneren des Rohrstücks 1 ein
geringerer Druck herrscht. Wird der Druckkanal 5 mit Druck
beaufschlagt, wie dieses in 3 wiedergegeben
ist, wird das im Wege des ersten Hochdruckumformschrittes nach außen
gedrückte Material in Richtung zum Inneren des Rohrstücks 1 gepresst.
Die bei dem ersten Umformschritt nach außen gedrückte
Materialblase wird sozusagen in das Innere des Rohrstücks 1 hinein
umgestülpt, so dass sich die gewünschte Kerbe
K ausbildet. Ausgenutzt wird bei dem zweiten Hochdruckumformschritt die
im Wege des ersten Umformschrittes erzeugte Wandstärkenreduzierung,
so dass das im ersten Umformschritt umgeformte Material im zweiten
Umformschritt mit einer geringeren Kraft umgeformt werden kann.
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Auf
diese Weise lassen sich in sehr kontrollierter Art und Weise unter
Berücksichtigung des Materials des Rohrstückes
Kerben in dasselbe einbringen, wobei ein „Fließen"
des Materials zum Erstellen der Kerben ausgenutzt wird.
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Die
Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand von Beispielen. Die Durchführung
des beanspruchten Verfahrens kann selbstverständlich auch mit
anderen Werkzeugen erfolgen.
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- 1
- Rohrstück
- 2
- Werkzeug
- 3
- Schlitz
- 4
- Material
- 5
- Druckkanal
- K
- Kerbe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1710035
A1 [0004]
- - DE 29915103 U1 [0005]