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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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DE 26 38 949 C3 beschreibt
ein nicht gattungsgemäßes Verfahren
zum Anformen von Zapfen an einer Platine durch Fließpressen.
Beim Gegenstand dieses Verfahrens erfolgt die Ausbildung einer Fließpressbuchse
durch Einlegen der Platine in ein Werkzeug, wobei das eine Werkzeugteil
eine Buchse aufweist, in die Material der Platine zum Ausbilden der
Fließpressbuchse
hineingedrückt
werden soll. Das dieser Werkzeugbuchse gegenüberliegende Werkzeugteil verfügt über eine
druckbeaufschlagbare Kammer. In dieser wird ein hydrostatischer
Druck erzeugt mit der Folge, dass das an die Druckkammer grenzende
Material der Platine bestrebt ist in die Werkzeugbuchse auszuweichen.
Hierbei wird die Fließpressbuchse
erzeugt. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren handelt
es sich um ein typisches Hydroforming-Verfahren unter Verwendung
eines hydraulischen Hochdruckumformschrittes. In diesem Dokument
ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel
ein zweistufiges Verfahren beschrieben. Dieses unterscheidet sich
von dem vorstehend beschriebenen dadurch, dass vor dem Schritt des
Fließpressens
eine Prägestufe
vorgestellt ist.
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Ein
weiteres, nicht gattungsgemäßes Verfahren
ist in
DE 102 30 284
A1 beschrieben. Dieses Verfahren dient zur Befestigung
von Bauteilen an umfänglich
geschlossenen Hohlprofilen. Dieses Verfahren kann ebenfalls durch
einen Hochdruckumformschritt durchgeführt werden. Die miteinander
zu verbindenden Bauteile werden von der äußeren Mantelfläche des äußeren Bauteils
druckbeaufschlagt, so dass die Wandungen beider Hohlprofile nach
innen eingedrückt
und somit die beiden zu verbindenden Hohlbauteile miteinander verklammert
werden. Damit offenbart dieses Dokument, dass es möglich ist, durch
einen hydraulischen Hochdruckumformprozess zwei Bauteile miteinander
zu verbinden, wobei ein einstufiger Umformschritt durchgeführt wird.
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Ausgehend
von dem 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