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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie einen Verbundkörper.
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Ausgangspunkt für die Herstellung von Verbundkörpern, insbesondere von mehrlagigen Blechstrukturen, ist die Forderung nach Massereduzierung bei Blechbauteilen bei gleichzeitiger Verbesserung von Steifigkeit und Festigkeit der besagten Blechbauteile. Mittels mehrlagiger Blechstrukturen ist es möglich, Material nur an Stellen einzusetzen, an denen die Beanspruchungen in einem Bauteil es erfordern.
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Beispielsweise werden an Fahrzeugkarosserien in stark belasteten Bereichen von Türschlössern und Türscharnieren Verstärkungsbleche angebracht. Ferner werden Verstärkungsbleche auch verwendet, um lokal die Steifigkeit an crashrelevanten Bauteilbereichen der Fahrzeugkarosserie zu erhöhen oder um akustische Schwingungseigenschaften der Fahrzeugkarosserie zu beeinflussen.
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Prinzipiell sind zwei Möglichkeiten der Montage von Verstärkungsblechen bekannt. Zum einen wird ein bereits umgeformtes Verstärkungsblech nachträglich an einem bereits umgeformten Basisblech angebracht. Diese erste Möglichkeit wird auch als Zusammenbau bezeichnet. Zum anderen ist es mittels der sogenannten Patchworktechnik möglich, Basisblech und Verstärkungsblech im Flachzustand vor ihrer Umformung zu fügen, und anschließend das so hergestellte Verbundteil umzuformen.
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Bei dem erstgenannten Verfahren des Zusammenbaus werden das Basisblech und das Verstärkungsblech jeweils in getrennten Arbeitsgängen umgeformt und anschließend zu einem Verbundbauteil gefügt. Diese Verfahrensweise erfordert zwei Werkzeugsätze, zwei Umformvorgänge und die Verbindung der umgeformten Bauteile durch einen zusätzlichen Fügeprozess. Des Weiteren ist die Einhaltung enger Form- und Lagetoleranzen bei der Vorbereitung der zu fügenden Blechteile notwendig, um einen fehlerfreien Fügeprozess zu gewährleisten. Dies betrifft sowohl bei Schweiß- als auch bei Klebeverfahren die Sicherstellung definierter Spaltmaße zwischen den zu fügenden Flächen. Durch die elastische Rückfederung der umgeformten Blechteile sind aufwändige Spanntechniken und hohe Spannkräfte notwendig, um diese Forderungen zu erfüllen.
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Durch die zweitgenannte Patchworktechnik wird die zuvor beschriebene Problematik der Spaltmaße beseitigt, da der Umformvorgang der einzelnen Blechteile entfällt. Darüber hinaus wird der Fügeprozess erleichtert, da das Fügen im Flachzustand der beiden Blechteile erfolgt.
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Auf der anderen Seite wird die Fügestelle einer Umformung unterzogen und dabei hohen lokalen Belastungen ausgesetzt, die eine Verminderung der Verbindungsfestigkeit, teilweise bis zum Versagen der Verbindung, bewirken. Da die Umformkräfte in das Verstärkungsblech nur mittelbar über das Basisblech und über die Fügeverbindung zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech übertragen werden, sind Dicke und Festigkeit von gemeinsam mit dem Basisblech umgeformten Verstärkungsblechen begrenzt.
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Insbesondere wird beim Umformvorgang eines in Patchworktechnik hergestellten Verbundteils das Basisblech durch das Verstärkungsblech am freien Dehnen gehindert. Der Rand des Verstärkungsbleches markiert einen Steifigkeitssprung, durch den es in Bereichen des Basisbleches, die an den Rand des Verstärkungsbleches angrenzen, zu Einschnürungen und Rissen bei der gemeinsamen Umformung kommen kann.
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In der
DE 10 2005 050 202 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Blechteiles mit partiellen Verstärkungselementen beschrieben. Ein Blechteil, auf dem ein Verstärkungselement aufgelegt ist, das mit dem Blechteil weder kraft- noch form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist, wird zwischen zwei Werkzeughälften eines Umformwerkzeuges eingelegt. Ein Formstempel wird in Richtung des Blechteils und des darauf liegenden Verstärkungselementes bewegt, und gleichzeitig wird der Druck im unter dem Blechteil befindlichen Hohlraum verringert. Der Druck im Hohlraum wird durch Zufuhr eines Druckmediums erhöht, wobei das Blechteil zusammen mit dem Verstärkungselement gegen den Formstempel gedrückt wird, so dass das Blechteil und das Verstärkungsblech kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden und die Oberflächenform des Formstempels annehmen.
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In der
DE 197 500 67 A1 ist ein Innenhochdruckumformwerkzeug offenbart, in dem ein Rohrabschnitt sowie ein Halterblech eingelegt sind. Für das Halterblech ist eine Ausnehmung in der unteren Werkzeughälfte vorgesehen. Der Rohrabschnitt wird durch Innenhochdruck umgeformt, so dass sich eine Kuppe im Bereich der Ausnehmung ausbildet. Anschließend wird die Druckkraft eines Haltestempels, der unterhalb des Halterbleches in der unteren Werkzeughälfte angeordnet ist, gegen den im Rohrabschnitt befindlichen Überdruck so weit erhöht, dass die Kuppe zu einem Nebenformelement umgeformt wird, um das Halterblech mit dem Rohrabschnitt formschlüssig zu verbinden.
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Aus der
DE 199 137 57 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nietverbindung bekannt, bei dem zwei Werkstücke zwischen einem Niederhalter und einer Matrize eingelegt werden. Ein Stempel drückt einen Niet gegen die flächigen Werkstücke, so dass diese deformiert werden, bis das untere Werkstück auf dem Boden der Matrize zur Anlage kommt. Ein unter Druck stehendes Fluid wird in den Hohlraum der Matrize eingeleitet und deformiert die Werkstücke, bis das obere Werkstück sich an die Mantelfläche des Nietes anschmiegt, wobei eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie einen Verbundkörper anzugeben, der kostengünstig und ohne lokale Defekte hergestellt werden kann.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus zumindest einem Basisblech und zumindest einem Verstärkungsblech. Das Basisblech und/oder das Verstärkungsblech werden bzw. wird vorgeformt, und ein Falz wird in einem Randbereich des Verstärkungsbleches während der Vorformung oder einer anschließenden Umformung ausgebildet. Das Verstärkungsblech wird zumindest partiell mit dem Basisblech in Kontakt gebracht und durch Druckbeaufschlagung mittels eines flüssigen oder gasförmigen Umformmediums zumindest eines der Bleche unter Ausbildung einer gemeinsamen formschlüssigen Verbindung zumindest zwischen Teilbereichen der beiden Bleche umgeformt.
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Zum einen ist es durch dieses Verfahren möglich, die Kosten zur Herstellung von umgeformten mehrlagigen Blechstrukturen zu verringern, da das oder die Verstärkungsbleche zusammen mit dem Basisblech in einem Verfahrensschritt umgeformt und gleichzeitig ohne zusätzliche Bauteile oder Verfahrensschritte formschlüssig gefügt werden können. Gegenüber der Patchworktechnik wird verhindert, dass es zu Einschnürungen oder Rissen im Basisblech kommt, da sich während des Umformvorganges Basisblech und Verstärkungsblech relativ zueinander bewegen können. Bei der Ausführungsform des Verfahrens, bei der das Basisblech und/oder das Verstärkungsblech vorgeformt werden, handelt es sich beim Vorformen zwar um einen zusätzlichen Umformschritt, der jedoch im Wesentlichen unabhängig von der Form des Basisbleches erfolgen kann, und durch den das Umformergebnis durch Ausbildung der Falz während des gemeinsamen Umformvorgangs positiv beeinflusst wird.
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Vorzugsweise weist das Basisblech in Richtung einer Längsachse desselben einen geschlossenen Querschnitt auf, in den das flüssige oder gasförmige Umformmedium eingebracht und mit Druck beaufschlagt wird. Durch diese Art des Innenhochdruckumformens ist eine besonders effiziente Herstellung des Verbundkörpers möglich.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden beide Bleche miteinander in Anlage gebracht, derart, dass während der anschließenden Umformung an zumindest einem der Bleche ein Falz ausgebildet wird.
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Vorzugsweise weist das Verstärkungsblech eine Kantenfläche auf, die mit einer Oberfläche des Basisbleches unter Bildung eines spitzen Winkels in Kontakt gebracht wird, und beide Bleche werden anschließend unter Ausbildung einer Falz in einem an die Kantenfläche angrenzenden Oberflächenrandbereich des Verstärkungsbleches umgeformt. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung des Verbundkörpers.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Basisblech mittels des flüssigen oder gasförmigen Umformmediums zuerst frei umgeformt, bis am Ende dieser freien Umformung die Oberfläche des Basisbleches mit der Kantenfläche des Verstärkungsbleches in Kontakt gebracht wird.
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Vorzugsweise wird, nachdem die Oberfläche des Basisbleches mit der Kantenfläche des Verstärkungsbleches in Kontakt gebracht worden ist, das Basisblech mittels des flüssigen oder gasförmigen Umformmediums umgeformt oder weiter umgeformt, wobei durch den Kontakt der angrenzende Oberflächenrandbereich des Verstärkungsbleches in Fließrichtung des Basisbleches eingezogen wird und unter Bildung der Falz umgeknickt wird.
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Vorzugsweise wird ein Loch vor oder während der Umformung in das Verstärkungsblech eingebracht, in das Material des Basisbleches während der Umformung einfließt. Hierdurch kann die Qualität der formschlüssigen Verbindung weiter verbessert werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vor der Umformung zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech eine Trennschicht eingebracht. Durch diese Trennschicht ist es möglich, beispielsweise ein Basisblech aus Aluminium mit einem Verstärkungsblech aus Stahl herzustellen, ohne dass es zu Korrosion kommt.
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Vorzugsweise ist die Trennschicht ein Klebstoff, der nach der Umformung ausgehärtet wird. Hierdurch wird eine feste und korrosionsbeständige Verbindung zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech hergestellt, ohne dass während des Umformvorganges die relative Bewegung der beiden Bleche zueinander beeinträchtigt wird.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß gelöst wird die vorgenannte Aufgabe ferner durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers aus zumindest zwei Blechteilen, insbesondere nach einem Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, aufweisend eine zumindest zweiteilige Werkzeugkavität mit zumindest einem ersten Aussparungsbereich zur Aufnahme eines Basisbleches und zumindest einem zweiten Aussparungsbereich zur Aufnahme eines Verstärkungsbleches. Ferner sind federnd gelagerte Führungsstifte zur Positionierung des Basisbleches und/oder des Verstärkungsbleches in der Werkzeugkavität vorgesehen. Insbesondere in Verbindung mit gelochten Blechen, in die diese Führungsstifte eingreifen, ist eine genaue Positionierung der Bleche zueinander möglich.
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Vorzugsweise ist zumindest einsteuerbarer Stempel zur Positionierung des Basisbleches und/oder des Verstärkungsbleches in der Werkzeugkavität vorgesehen, und der Stempel ist am Ende des Umformvorganges zur Lochung des Basisbleches ausfahrbar. Sehr häufig werden bei mehrlagigen Verbundblechen Löcher zur Ausrichtung und/oder Montage weiterer Bauteile benötigt. Durch diese bevorzugte Ausführungsform ist ein nachgelagerter Verfahrensschritt zur Herstellung eines Loches im Basisblech nicht erforderlich.
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Vorzugsweise weist der zweite Aussparungsbereich eine Vertiefung auf derart, dass das Verstärkungsblech am Ende des Umformvorganges auf dem Basisblech aufsitzt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Werkzeugkavität zumindest eine Zufluss- und/oder Abflusseinrichtung zum Zufluss/Abfluss eines flüssigen oder gasförmigen Umformmediums auf.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die vorgenannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch einen Verbundkörper aus zumindest zwei Blechteilen, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, bestehend aus zumindest einem Basisblech und zumindest einem Verstärkungsblech, wobei das Verstärkungsblech in einem Randbereich eine Falz aufweist, die sich in formschlüssigem Eingriff mit einer Einbuchtung in einer Oberfläche des Basisbleches befindet.
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Durch die Einbuchtung in der Oberfläche des Basisbleches ist die Falz des Verstärkungsbleches im Wesentlichen im Basisblech versenkt.
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Vorzugsweise ist zumindest zwischen Teilbereichen des Basisbleches und des Verstärkungsbleches eine Trennschicht eingebracht. Unter anderem kann durch diese Trennschicht Korrosion zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese Trennschicht eine Klebstoffschicht. Neben der durch die Falz und die Einbuchtung definierten formschlüssigen Verbindung zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech sind gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die beiden Bleche zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Vorzugsweise ist das Basisblech mit dem Verstärkungsblech verschweißt oder verlötet. Durch diese stoffschlüssigen Verbindungsverfahren lässt sich eine besonders dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Blechen erzielen, ohne dass es notwendig ist, die beiden Bleche durch aufwändige Spannvorrichtungen relativ zueinander zu fixieren, da beide Bleche zuvor schon formschlüssig miteinander verbunden worden sind. Ein gleichmäßiger Schweiß- oder Lötspalt wird somit erzielt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, abgesehen vom Basisblech, mit dem Verstärkungsblech zumindest ein weiteres Bauteil verbunden. Hierdurch kann der Verbundkörper als Träger für weitere Bauteile, wie beispielsweise ein Türscharnier oder ein Türschloss in einer Fahrzeugkarosserie dienen.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verbundkörpers sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
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1a bis c eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles einer Verbundkörperherstellung in einem Anfangszustand (1a), in einem Zwischenzustand (1b) und in einem Endzustand (1c), und
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2a und b eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles der Verbundkörperherstellung in einem Anfangszustand (2a) und in einem Endzustand (2b).
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In 1a ist ein Anfangszustand einer Verbundkörperherstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Ein Basisblech 1 und ein Verstärkungsblech 2 sind in eine Werkzeugkavität 6 eingelegt. Die Werkzeugkavität 6 ist zumindest zweiteilig und wird durch ein Oberwerkzeug 6a und ein Unterwerkzeug 6b definiert. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in den 1a bis c das Oberwerkzeug 6a nicht gezeigt. Dieses Oberwerkzeug 6a weist einen ersten Aussparungsbereich 7 (vgl. 2a und b) auf, in dem das Basisblech 1 bei geschlossener Werkzeugkavität 6 aufgenommen ist. Das Unterwerkzeug 6b weist einen zweiten Aussparungsbereich 8 auf, in dem das Verstärkungsblech 2 aufgenommen ist.
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In seiner Ausgangsform ist das Basisblech in 1a im Wesentlichen eben, während das Verstärkungsblech 2 im Wesentlichen U-förmig vorgebogen ist. Jedoch sind auch beliebige andere Ausgangsformen denkbar. Auch ist es unter Umständen denkbar, das Verstärkungsblech 2 nicht vorzuformen.
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Um den Materialfluss währen der Umformung zu begünstigen, weist der zweite Aussparungsbereich 8 im Unterwerkzeug 6b abgerundete Kanten auf. Der zweite Aussparungsbereich 8 des Unterwerkzeuges 6b weist einen horizontalen Bodenabschnitt und dazu rechtwinklig angeordnete oder leicht nach außen geneigte Seitenwandabschnitte auf.
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Das in den zweiten Aussparungsbereich 8 eingelegte, im Wesentlichen U-förmige Verstärkungsbleches 2 ist derart vorgeformt, dass gegenüberliegende Schenkel 9 des Verstärkungsbleches 2 mit einem Boden des Verstärkungsbleches 2 jeweils leicht spitze Winkel einschließen. In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Schenkel 9 leicht nach innen vorgebogen, d. h. in den zweiten Aussparungsbereich 8 hinein. Insgesamt führt das Vorbiegen des Verstärkungsbleches 2 dazu, dass eine Kantenfläche 5 des Verstärkungsbleches 2 mit einer Oberfläche 4 des Basisbleches 1 in Fließrichtung desselben einen stark spitzen Winkel bildet.
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In der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Kantenfläche 5 des Verstärkungsbleches 2 rechtwinklig zu einer Oberfläche des Verstärkungsbleches 2 verläuft. Jedoch kann ein spitzer Winkel zwischen der Oberfläche 4 des Basisbleches 1 und der Kantenfläche 5 des Verstärkungsbleches 2 beispielsweise auch durch eine entsprechend schräg abgekantete Kantenfläche 5 erreicht werden. Ebenso ist es möglich, diesen spitzen Winkel durch entsprechende Positionierung des Basisbleches 1 oder lokale Verformung in mit der Kantenfläche 5 in Anlage zu bringenden Bereichen zu erzielen. Hierbei ist nur zu beachten, dass die Kantenfläche 5 des Verstärkungsbleches 2 und die Oberfläche 4 des Basisbleches 1 unter Bildung eines spitzen Winkels während der Umformung zumindest partiell in Anlage bringbar sind.
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In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind federnd gelagerte Führungsstifte zur Positionierung des Basisbleches 1 und/oder des Verstärkungsbleches 2 in der Werkzeugkavität 6 vorgesehen. Diese Führungsstifte können beispielsweise aus dem Unterwerkzeug 6b im Ausgangszustand vorspringen, und durch Schließen der Werkzeugkavität 6 oder erst während des Umformvorganges entgegen ihrer Federvorspannung zurückbewegt werden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn in zumindest einem der Bleche 1, 2 vor dem Umformvorgang Aussparungen, beispielsweise Löcher vorgesehen werden, in die die Führungsstifte zur Positionierung des besagten Bleches 1, 2 eingreifen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso denkbar, zumindest einen steuerbaren Stempel zur Positionierung des Basisbleches 1 und/oder des Verstärkungsbleches 2 in der Werkzeugkavität 6 vorzusehen, wobei der Stempel während oder am Ende des Umformvorganges ausfahrbar ist. Wenn die Werkzeugkavität 6 zu Beginn geöffnet ist, unterstützt der Stempel im ausgefahrenen Zustand das Einlegen des/der Bleche 1, 2 und wird beim Schließen der Werkzeugkavität 6 bzw. zu Beginn des Umformvorganges eingefahren.
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Wird der Stempel am Ende des Umformvorgangs vor der Öffnung der Werkzeugkavität 6 wieder ausgefahren, locht der Stempel in vorteilhafter Weise das Basisblech 1. In einem mehrlagigen Blechteil wird häufig zumindest ein Loch benötigt, um Bauteile wie z. B. Scharniere oder Schlösser zu befestigen, wobei die besagten Löcher üblicherweise in einem nachgelagerten Verfahrensschritt ausgestanzt werden. Durch die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform könnte dieser nachgelagerte Schritt eingespart werden.
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Gemäß einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Werkzeugkavität 6 zumindest eine Zufluss- und/oder Abflusseinrichtung zum Zufluss/Abfluss eines flüssigen oder gasförmigen Umformmediums auf. In bevorzugter Weise wird hierdurch ein Innenhochdruckumformverfahren realisiert. Obwohl in diesem Zusammenhang in der Beschreibung der Begriff „Blech” verwendet wird, umfasst dieser Begriff nicht nur metallische Bleche, sondern beispielsweise auch plastisch verformbare Kunststoffbahnen mit blechartiger Geometrie. Auch versteht es sich von selbst, dass die Verbundkörper auch aus mehr als zwei Lagen bestehen können, obwohl in den Ausführungsbeispielen nur zweilagige Verbundkörper gezeigt sind.
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In vorteilhafter Weise ist eine Druckbeaufschlagungseinrichtung vorgesehen, um das flüssige oder gasförmige Umformmedium zur Umformung der Bleche 1, 2 mit Druck zu beaufschlagen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Hochdruckkompressoren handeln, die in Abhängigkeit der Blechdicke und des Umformgrades Drücke bis zu 3000 bar erzeugen. Bei dem Umformmedium kann es sich beispielsweise um eine Öl-Wasser-Emulsion handeln.
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Bezüglich des aus Oberwerkzeug 6a und Unterwerkzeug 6b bestehenden Werkzeuges, wie es in den 1a bis 2b gezeigt ist, sei angemerkt, dass vorzugsweise im Bereich des einzulegenden Verstärkungsbleches 2 zusätzliche Vertiefungen im zweiten Aussparungsbereich 8 vorhanden sind, die insbesondere ein sicheres Einlegen und Positionieren des Verstärkungsbleches 2 ermöglichen und zum anderen eine Beeinflussung der Blechdickenverteilung im Basisblech 1 verringern oder verhindern. Hierdurch wird erreicht, dass beim fertig umgeformten Verbundkörper das Verstärkungsblech 2 quasi auf dem Basisblech 1 aufsitzt, wobei in diesem Bereich die jeweiligen Oberflächen des Basisbleches 1 und der Verstärkungsbleches 2 parallel zueinander versetzt sind.
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Ebenso kann ein Werkzeug auch keine solche zusätzlichen Vertiefungen aufweisen, so dass das Verstärkungsblech 2 vom Basisblech 1 im Wesentlichen umschlossen, d. h. im umgeformten Bauteil quasi versenkt wird. In diesem Fall liegen die jeweiligen Oberflächen des Basisbleches 1 und der Verstärkungsbleches 2 in einer Ebene. Da sich das nachteilig auf die Blechdickenverteilung im Basisblech 1 auswirken könnte, sind andere Maßnahmen zum Positionieren des Verstärkungsbleches 2 im Werkzeug vorteilhaft, wie z. B. die zuvor beschriebenen Führungsstifte oder Stempel. Auf der anderen Seite wäre im Gegensatz zu der Variante mit zusätzlich vertieftem Werkzeug, bei der das Verstärkungsblech 2 auf dem Basisblech 1 aufsitzt, im Fall des versenkten Verstärkungsbleches 2 ein geringerer Einbauraum für ein derartig verstärktes Bauteil notwendig.
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Mit Bezug auf die 1a bis 1c wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundkörpers aus dem Basisblech 1 und zumindest einem Verstärkungsblech 2 beschrieben.
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Zuerst wird das Verstärkungsblech 2 in den zweiten Aussparungsbereich 8 der Werkzeugkavität 6 eingelegt. In Abhängigkeit von der herzustellenden Bauteilform, bzw. der Form der Werkzeugkavität 6 kann es erforderlich sein, dass das Verstärkungsblech 2 hierzu vorgebogen werden muss. Jedoch sind auch Varianten denkbar, bei denen ein derartiges Vorbiegen des Verstärkungsbleches 2 nicht erforderlich ist. Zur genaueren Positionierung des Verstärkungsbleches 2 in der Werkzeugkavität 6 können die besagten Führungsstifte oder Stempel verwendet werden, die mit entsprechenden Aussparungen im Verstärkungsblech 2 in Eingriff gebracht werden. Alternativ kann das Verstärkungsblech 2 in die zusätzliche Vertiefung in der Werkzeugkavität 6 eingelegt werden.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, auf einer Oberfläche des Verstärkungsbleches 2, die durch den Umformvorgang mit der Oberfläche 4 des Basisbleches 1 in Anlage gebracht wird, eine Trennschicht aufzubringen. Genauso möglich ist es aber auch, diese Trennschicht auf den entsprechenden Stellen des Basisbleches 1 oder auf beiden Blechen 1, 2 aufzubringen. Bei der Trennschicht kann es sich beispielsweise um eine Kunststofffolie oder eine Klebstoffschicht, vorzugsweise als Folie oder Bänder, handeln. Durch Vorsehen einer Trennschicht ist es möglich, Werkstoffkombinationen zu realisieren, die ohne Trennschicht korrodieren würden, beispielsweise die Kombination eines Stahlbleches und eines aluminiumlegierten Bleches.
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Vorzugsweise kann auch ein Lot vor der Umformung zwischen dem Basisblech 1 und dem Verstärkungsblech 2 eingebracht werden. Nach der Umformung werden beide Bleche 1, 2 durch Schmelzen des Lotes miteinander verlötet.
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Nach dem Verstärkungsblech 2 wird das Basisblech 1 in die Werkzeugkavität 6 eingelegt. In dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Basisblech 1 in seiner Ausgangsform eben. Jedoch sind auch vorgeformte Ausgangsformen und/oder andere Querschnitte der Bleche 1, 2 möglich.
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Mit Bezug auf 1b bezeichnet ein Pfeil F eine Richtung der Umformkraft, wie sie beispielsweise durch das mit Druck beaufschlagte flüssige oder gasförmige Umformmedium erzeugt wird. Die Umformkraft F wirkt direkt auf das Basisblech 1 und beult dieses in Richtung des zweiten Aussparungsbereiches 8 der Werkzeugkavität 6 aus. Hierdurch wird die unten liegende Oberfläche 4 des Basisbleches 1 zumindest in partielle Anlage mit den spitzwinklig schräg geneigten Kantenflächen 5 des Verstärkungsbleches 2 gebracht.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Basisblech 1 durch die Druckbeaufschlagung somit zuerst frei umgeformt, bis am Ende dieser freien Umformung die Oberfläche 4 des Basisbleches 1 mit der Kantenfläche 5 des Verstärkungsbleches 2 in Kontakt gebracht wird. Jedoch ist es natürlich auch denkbar, das sich das Verstärkungsblech 2 und das Basisblech 1 bereits zu Beginn der Umformung, d. h. wenn das Basisblech 1 in die Werkzeugkavität 6 eingelegt worden ist, in zumindest partieller Anlage befinden.
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Nachdem die unten liegende Oberfläche 4 des Basisbleches 1 in Kontakt mit den spitzwinklig schräg geneigten Kantenflächen 5 des Verstärkungsbleches 2 gebracht worden ist, werden durch die fortschreitenden Umformung des Basisbleches 1 die Enden der Schenkel 9 des Verstärkungsbleches 2 ein Stück weit in Fließrichtung des Basisbleches 1 eingezogen, bis es zum Knicken der Schenkel 9 kommt. Die Schenkel 9, die an die Kantenfläche 5 angrenzende Oberflächenrandbereiche des Verstärkungsbleches 2 bilden, werden somit durch Einwirkung des Basisbleches 1 in den zweiten Aussparungsbereich 8 hinein umgeformt.
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Zwischen den Seitenwandabschnitten der Werkzeugkavität 6 und den entsprechenden Bereichen des Basisbleches 1 bildet sich im Fortlauf des Umformvorganges eine Falz 3, die, wie im Endzustand der Umformung in 1c gezeigt, im Randbereich des Verstärkungsbleches 2 ausgebildet wird. Im weiteren Umformvorgang, in dem sich das Basisblech 1 gegen das Verstärkungsblech 2 in der zweiten Aussparung 8 einformt, bildet sich somit unter den gefalzten Enden der Schenkel 9 des Verstärkungsbleches 2 über die gesamte Werkstückbreite ein Hinterschnitt im Basisblech 1, durch den das Verstärkungsblech 2 formschlüssig mit dem Basisblech 1 verbunden wird.
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Das Basisblech 1 ist in Richtung der Umformkraft F maximal verformt und befindet sich in Anlage mit dem Verstärkungsblech 2 bzw. der dazwischen liegenden Trennschicht. Im Bereich der Falz 3 hat sich dabei eine Einbuchtung 10 in der Oberfläche 4 des Basisbleches 1 in Form einer Hinterschneidung ausgebildet. Hierdurch wird eine im Wesentlichen durch Formschluss gekennzeichnete Verbindung zwischen dem Basisblech 1 und dem Verstärkungsblech 2 hergestellt, wenn der Verbundkörper seine Endkontur erreicht hat.
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In vorteilhafter Weise kann diese Verbindung durch Aussparungen wie z. B. Löcher im Verstärkungsblech 2 unterstützt werden, die entweder vor oder während der Umformung, beispielsweise durch die zuvor beschriebenen steuerbaren Stempel, erzeugt werden, und in die Material des Basisbleches 1 während der Umformung einfließt.
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Nachdem der Verbundkörper seine Endkontur erreicht hat, wird das flüssige oder gasförmige Umformmedium aus dem im Verbundkörper entstandenen Raum entfernt und der Verbundkörper wird aus der Werkzeugkavität 6 entnommen. Ist zuvor als Trennschicht ein Klebstoff zwischen dem Basisblech 1 und dem Verstärkungsblech 2 eingebracht worden, wird dieser nach der Umformung ausgehärtet. Je nach Wahl des Klebstoffes kann die Aushärtung beispielsweise durch ein Wärmebehandlungsverfahren erst ermöglicht oder unterstützt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können das Basisblech 1 und das Verstärkungsblech 2 anschließend auch verschweißt oder verlötet werden, u. U. durch Schmelzen von zuvor zwischen den beiden Blechen 1, 2 eingebrachtem Lot. Durch die bestehende formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Blechen 1, 2 erübrigt sich eine aufwändige Positionierung und Aufspannung der Bleche 1, 2 für den Löt- oder Schweißvorgang. Vielmehr ermöglicht die formschlüssige Verbindung einen gleichmäßigen Löt- oder Schweißspalt zwischen einem außen liegenden Bereich der Falz 3 und der Oberfläche 4 des Basisbleches 1 im Bereich der Einbuchtung 10, in dem das Lot fließt oder die Schweißnaht gezogen wird.
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Abgesehen vom Basisblech 1, mit dem das Verstärkungsblech 2 verbunden ist, kann das Verstärkungsblech 2 mit zumindest einem weiteren Bauteil verbunden sein. Somit bildet das Verstärkungsblech 2 vorteilhafterweise einen Träger für Funktionselemente wie beispielsweise Scharniere oder Schlösser, die bereits vor dem Einlegung des Verstärkungsbleches 2 auf diesem montiert werden können, vorausgesetzt dass entsprechende Aussparungen in der Werkzeugkavität 6 vorgesehen sind.
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Im Folgenden werden die 2a und b beschrieben, die eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles der Verbundkörperherstellung zeigen. Hierbei wird nur auf Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen, und sofern nicht anders beschrieben, können einzelne Merkmale der beiden Ausführungsbeispiele auch kombiniert werden, bzw. entsprechend ausgetauscht werden.
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In 2a weist das Basisblech 1 in Richtung einer Längsachse desselben einen geschlossenen Querschnitt auf, in den das flüssige oder gasförmige Umformmedium eingebracht und mit Druck beaufschlagt wird. Beispielsweise hat das Basisblech 1 eine rohrähnliche Gestalt und ist mit einem Anschluss zur Zuführung des flüssigen oder gasförmigen Umformmediums versehen.
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Ferner ist das Verstärkungsblech 2 im Wesentlichen U-förmig vorgeformt und weist in seinen Randbereichen bereits eine vorgeformte Falz 3 auf. Es ist dabei möglich, dass das Verstärkungsblech 2 durch den anschließenden Umformvorgang noch weiter verformt wird, beispielsweise um den formschlüssigen Eingriff zwischen den beiden Blechen 1, 2 zu unterstützen. Hierzu werden die in 2a gezeigten geraden Schenkel des Verstärkungsbleches 2 zwischen der Falz 3 und dem gebogenen Bereich des Verstärkungsbleches 2 durch das Aufweiten des rohrförmigen Basisbleches 1 im Wesentlichen bogenförmig verformt, wie dies in 2b gezeigt ist. Jedoch ist es auch denkbar, dass ein entsprechend vorgeformtes Verstärkungsblech 2 während des Umformvorganges durch das Basisblech 1 nicht mehr weiter verformt wird, so dass das vor dem Einlegen in die Werkzeugkavität 6 vorgeformte Verstärkungsblech bereits die Endform des Verstärkungsbleches im Verbundkörper besitzt.
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In 2b ist das zweite Ausführungsbeispiel in seinem Endzustand gezeigt. Auch hier sorgen die Einbuchtungen 10 in der Oberfläche 4 des rohrförmigen Basisbleches 1 für den im Wesentlichen formschlüssigen Eingriff zwischen dem Basisblech 1 und dem Verstärkungsblech 2. Zusätzlich unterstützt wird dieser Eingriff durch die Tatsache, dass der Verbundkörper im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt hat und ein Kreisbogen des Verstärkungsbleches 2 länger ist, als die Hälfte eines Kreisbogens des durch Innenhochdruck aufgeweiteten Basisbleches 1.
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Für das Einbringen einer Trennschicht, das Verkleben, Verlöten und/oder Verschweißen des Basisbleches 1 mit dem Verstärkungsblech 2 gilt das zuvor Gesagte. Insbesondere ist in 2b der Bereich zwischen der Falz 3 und der Oberfläche 4 des Basisbleches 1 im Bereich der Einbuchtung 10 als im Wesentlichen dreiecksförmiger Bereich ersichtlich, in dem Lot fließen, bzw. eine Schweißnaht gezogen werden kann.
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Aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt sich der Vorteil, dass das Verstärkungsblech 2 zusammen mit dem Basisblech 1 in einem Werkzeug und in einem Arbeitsgang umgeformt wird. Weitere Bauteile sind nicht erforderlich. Hierdurch wird der Prozess- und Werkzeugaufwand reduziert und die für möglicherweise nachgelagerte Prozessschritte erforderlichen engen Toleranzen werden eingehalten.
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Des Weiteren können sich das Basisblech 1 und das Verstärkungsblech 2 während der Umformung relativ zueinander bewegen, wodurch Spannungsspitzen am Steifigkeitssprung, d. h. im Randbereich des Verstärkungsbleches 2 verringert oder vermieden werden. Dadurch ist eine bessere Umformbarkeit des Bauteils während seiner Herstellung möglich, ohne dass es zu Festigkeitsverlusten durch Einschnürungen oder Risse in Randbereichen des Verstärkungsbleches 2, bzw. daran angrenzenden Bereichen des Basisbleches 1 kommt. Es ist daher generell möglich, eine Verbindung zwischen dem Verstärkungsblech 2 und dem Basisblech 1 ohne Einsatz weiterer Zusatzelemente zu realisieren.
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Sollte für bestimmte Anwendungen die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Verstärkungsblech 2 und dem Basisblech 1 nicht ausreichen, kann in einem nachgelagerten Fügeprozess beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen oder auch durch Aushärten von zuvor eingebrachtem Klebstoff die Verbindung zusätzlich verfestigt werden. In jedem Fall entfällt ein aufwändiges Positionieren und/oder Aufspannen der Werkstücke, da durch die formschlüssige Verbindung das Basisblech 1 und das Verstärkungsblech 2 bereits hinreichend zueinander positioniert und miteinander verbunden sind.
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Durch die vorangegangenen Ausführungsbeispiele ist unter anderem ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus zumindest einem Basisblech 1 und zumindest einem Verstärkungsblech 2 beschrieben, wobei das Verstärkungsblech 2 zumindest partiell mit dem Basisblech 1 in Anlage gebracht wird, und anschließend durch Druckbeaufschlagung mittels eines flüssigen oder gasförmigen Umformmediums zumindest eines der Bleche 1, 2 unter Ausbildung einer gemeinsamen formschlüssigen Verbindung zumindest zwischen Teilbereichen der beiden Bleche 1, 2 umgeformt wird. Ebenso ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie ein Verbundkörper beschrieben.
