DE102007018395B4 - Internal high-pressure forming - Google Patents
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Abstract
Innenhochdruck-Umformverfahren, bei welchem ein in einem Umformwerkzeug (1) umzuformendes, rohrförmiges Werkstück (2) aus einem Stahlwerkstoff innerhalb oder außerhalb des Umformwerkzeugs (1) vorgewärmt wird, wobei die Enden (3) des in einem Formhohlraum (4) des geschlossenen Umformwerkzeugs (1) aufgenommen Werkstücks (2) abgedichtet werden und wobei anschließend ein Gas unter Druck in den Innenraum (6) des Werkstücks (2) eingeleitet wird, wobei das Werkstück (2) in ein gekühltes Umformwerkzeug (1) eingelegt wird, wobei das Werkstück (2) in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeugs (1) von außen in demselben, aus einem Untergesenk (11) und einem Obergesenk (12) bestehenden Umformwerkzeug (1) gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck im Werkstück (2) durch Relativbewegung eines Pressenoberteils (10) in Schließrichtung des Umformwerkzeugs (1) erzeugt wird und durch einen Druckübersetzer (16) verstärkt wird, welcher auf seiner Primärseite von einem Fluiddruck beaufschlagt wird, welcher wiederum...A hydroforming process in which a tubular workpiece (2) to be formed in a forming tool (1) is preheated from a steel material inside or outside the forming tool (1), the ends (3) of which are in a mold cavity (4) of the closed forming tool (1) received workpiece (2) are sealed and then a gas under pressure in the interior (6) of the workpiece (2) is introduced, wherein the workpiece (2) in a cooled forming tool (1) is inserted, wherein the workpiece (2) deformed in one go by the pressure of the gas and by the temperature of this gas from the inside and the temperature of the forming tool (1) from the outside in the same forming tool (1) consisting of a lower die (11) and an upper die (12) is hardened, characterized in that the gas pressure in the workpiece (2) by relative movement of a press upper part (10) in the closing direction of the forming tool (1) is generated and by a n pressure intensifier (16) is amplified, which is acted upon on its primary side by a fluid pressure, which in turn ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Innenhochdruck-Umformverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a hydroforming process with the features in the preamble of claim 1.
Im Bereich der Warmumformung von Blechwerkstoffen sind zwei grundlegende Verfahren bekannt: erstens das Presshärten, d. h. das Warmformen von Blechen durch Tiefziehen in gekühlten Werkzeugen, sowie die Umformung von Rohren, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium durch Innenhochdruck-Umformung in geheizten Werkzeugen. Mit der Innenhochdruck-Umformung in geheizten Werkzeugen werden die Formgebungsmöglichkeiten, bedingt durch die Temperaturerhöhung erweitert. Zudem ergibt sich ein verbesserter Materialfluss, so dass durch geeignetes Nachschieben definierte Wanddicken besser einstellbar sind.in the Hot forming of sheet materials are two fundamental Method known: first, the press-hardening, d. H. the thermoforming of sheet metal by deep drawing in cooled tools, as well as the Forming of pipes, in particular of aluminum or magnesium by hydroforming in heated tools. With the hydroforming in heated Tools are the shaping possibilities, conditioned by the temperature increase extended. In addition, there is an improved material flow, so that defined by suitable Nachschieben wall thicknesses better are adjustable.
Ein Hydroformen von vorgewärmten Werkstücken in entsprechend aufgeheizten Werkzeugen stellt hohe Anforderungen an die Umformtechnologie. Bei der Umformung von Stahlrohren müssen die Werkzeuge auf mindestens 450°C, besser bis auf 930°C aufgeheizt werden. Dies ist aufgrund des entstehenden Zunders nur unter Verwendung von Nickelbasislegierungen oder keramischen Werkstoffen für die Werkzeuge möglich. Zudem kostet das Heizen der Werkzeuge viel Energie und erfordert spezielle Pressen, da die heißen Werkzeuge gegenüber der Presse isoliert werden müssen.One Hydroforms of preheated workpieces in appropriately heated tools makes high demands to the forming technology. When forming steel pipes, the tools must to at least 450 ° C, better up to 930 ° C be heated. This is due to the resulting scale only using nickel-base alloys or ceramic materials for the tools possible. In addition, heating the tools costs a lot of energy and requires Special presses, as the hot ones Tools opposite need to be isolated from the press.
Ferner
ist es bekannt, durch Innenhochdruck-Umformung warm umgeformte Rohre
in einem zweiten Schritt einem Kaltverfestigungsprozess zu unterziehen.
Hierbei kommt ein zweites Umformwerkzeug zum Einsatz (
Es
zählt auch
zum Stand der Technik bei der Innenhochdruck-Umformung das Umformwerkzeug zunächst aufzuheizen,
um dadurch das Werkstück
zu erwärmen.
Anschließend
wird dasselbe Umformwerkzeug wieder abgekühlt, um das Werkstück zu härten (
Aus
der
Der zur Verformung notwendige Gasdruck wird von einer Hochdruckgasversorgungsquelle aufgebraucht, die eine Druckbombe umfasst, welche das erforderliche Gasvolumen vorhält.Of the necessary for deformation gas pressure is from a high pressure gas supply source used up, which includes a pressure bomb, which the required Gas volume holds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg aufzuzeigen, wie mittels Innenhochdruck-Umformung gehärtet Stahlrohre unter Minimierung der Energiekosten und Reduzierung der Werkzeugkosten mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit hergestellt werden können.Of the Invention is based on the object to show a way how hardened by hydroforming steel tubes under minimization energy costs and reducing tooling costs with high production speed can be.
Diese Aufgabe wird mit dem Innenhochdruck-Umformverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is with the hydroforming process according to the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Innenhochdruck-Umformverfahren sieht vor, dass ein umzuformendes, rohrförmiges Werkstück aus einem Stahlwerkstoff zunächst innerhalb oder außerhalb des Umformwerkzeugs vorgewärmt wird. Anschließend werden die Enden des in einem Formhohlraum des geschlossenen Umformwerkzeugs aufgenommenen Werkstücks abgedichtet, woraufhin ein Gas unter Druck in den Innenraum des Werkstücks eingeleitet wird.The Inner hydroforming process according to the invention provides that a tubular workpiece to be formed from a Steel material initially within or outside the forming tool preheated becomes. Then be the ends of the in a mold cavity of the closed forming tool recorded workpiece sealed, causing a gas under pressure in the interior of the workpiece is initiated.
Das Werkstück wird nicht in ein vorgeheiztes, sondern in ein gekühltes Umformwerkzeug eingelegt. Zudem wird in das heiße Werkstück ein kühles Gas eingeleitet, wobei das Werkstück in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeugs von außen in demselben Umformwerkzeug gehärtet wird.The workpiece is not in a preheated, but in a cooled forming tool inserted. In addition, a cool gas is introduced into the hot workpiece, wherein the workpiece Formed in one go by the pressure of the gas and by the temperature this gas from inside and the temperature of the forming tool of Outside hardened in the same forming tool becomes.
Bei diesem Verfahren erfolgt eine Warmumformung sehr schnell. Das ist erforderlich, da das Werkstück im Werkzeug sehr rasch abgekühlt wird. Daher beträgt die Zeitdauer der plastischen Umformung vorzugsweise nur wenige Sekunden. Insbesondere erfolgt die Umformung innerhalb von maximal 5 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 2 Sekunden. In dieser Zeitspanne erfolgt allerdings nur die Warmumformung. Die durch Kontakt mit dem Werkzeug einsetzende Härtung, ausgelöst durch die Kühlung des Umformwerkzeugs sowie durch das eingeleitete kältere Gas, erfordert Zuhaltezeiten, die sich in einer Zeitspanne bis von 1 bis 20 Sekunden bewegen können. Vorzugsweise sind die Zuhaltezeiten kleiner als 10 Sekunden.In this method, a hot forming takes place very quickly. This is necessary because the workpiece is cooled very quickly in the tool. Therefore, the period of plastic working is preferably only a few seconds. In particular, the transformation takes place within a maximum of 5 seconds, preferably within 2 seconds. During this period, however, only the hot forming takes place. The onset of contact with the tool hardening, triggered by the cooling of the forming tool as well as by the introduced colder gas, requires locking times, ranging in time from 1 to 20 seconds can move. Preferably, the closing times are less than 10 seconds.
Bei dem Druckgas kann es sich beispielsweise um Stickstoff aber auch um Pressluft handeln. Der erforderliche Prozessdruck des Gases wird über eine Relativbewegung eines Pressenoberteils in Schließrichtung des Umformwerkzeugs erzeugt. Durch Relativbewegung des Pressenoberteils erfolgt eine Reduzierung eines Fluidvolumens, insbesondere des Gasvolumens, das unmittelbar in das rohrförmige Werkstück eingeleitet werden soll. Insbesondere kommt ein Druckübersetzer zum Einsatz. Eine Flüssigkeit auf der Primärseite des Druckübersetzers durch das Absenken eines Pressenoberteils druckbeaufschlagt wird. Innerhalb des Druckübersetzers drückt die Flüssigkeit auf einen Kolben, der auf der Sekundärseite wiederum das zur Umformung benötigte Gas vorspannt und in das umzuformende Werkstück presst.at The compressed gas may be, for example, nitrogen but also to act on compressed air. The required process pressure of the gas is via a relative movement a press upper part in the closing direction of the forming tool generated. By relative movement of the press upper part is a Reduction of a fluid volume, in particular of the gas volume, the directly into the tubular workpiece should be initiated. In particular, there is a pressure intensifier for use. A liquid on the primary side of the pressure intensifier is pressurized by lowering a press upper part. Within the intensifier presses the liquid on a piston on the secondary side again needed for forming Gas biased and pressed into the workpiece to be formed.
Das Erwärmen des Werkstücks auf eine Temperatur oberhalb Ac3 kann außerhalb des Umformwerkzeugs in einem separaten Durchlaufofen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, das Werkstück innerhalb des gekühlten Umformwerkzeugs auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, insbesondere durch elektrische Widerstandserwärmung. Hierbei werden die Werkstücke im Umformwerkzeug endseitig mit Elektroden in Kontakt gebracht, die gegenüber dem Umformwerkzeug isoliert sind. Ein elektrischer Strom durchfließt das Werkstück und führt in kürzester Zeit zu einem starken Temperaturanstieg auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur. Bei dieser Vorgehensweise sind die Aufheizgeschwindigkeiten sehr hoch, sodass die Werkstücke zur vollständigen Austenitisierung auf höhere Temperaturen erwärmt werden müssen, als bei niedrigeren Aufheizgeschwindigkeiten, wie sie in einem Durchlaufofen vorherrschen. Bei der elektrischen Widerstandserwärmung mit hoher Aufheizgeschwindigkeit werden Temperaturbereiche um 1050°C angestrebt.The Heat of the workpiece to a temperature above Ac3 can outside the forming tool done in a separate continuous furnace. However, it is also possible that workpiece inside the chilled Forming tool to a temperature above the Austenitisierungstemperatur to warm, in particular by electrical resistance heating. Here are the workpieces in the forming tool end brought into contact with electrodes, which are opposite to the Forming tool are isolated. An electric current flows through the workpiece and leads in the shortest possible time Time to a strong temperature rise to a temperature above the austenitizing temperature. In this approach are the heating rates are very high, so that the workpieces for complete austenitization on higher Temperatures are heated have to, as at lower heating rates, as in a continuous furnace prevalence. When electrical resistance heating with high heating rate, temperature ranges around 1050 ° C are desired.
Das Gas soll eine Temperatur von unter 40°C aufweisen. Das Gas kann hierbei gezielt herunter gekühlt worden sein, was aus Gründen der Energiebilanz jedoch möglichst vermieden werden sollte. Da Gas ein relativ schlechter Wärmeträger ist und weil weitaus weniger Wärme vom Werkstück an das Gas abgegeben wird, als an das Umformwerkzeug, spielt die Temperatur des Gases eine weniger wichtige Rolle, als die Temperatur des Umformwerkzeugs. Theoretisch ist es möglich, dass die Temperatur des Gases in einem Bereich bis 300°C liegt. Am günstigsten ist es, wenn die Temperatur des Gases der Umgebungstemperatur entspricht und daher typischerweise in einem Bereich um 20°C liegt. Diese Temperatur liegt noch immer weit unter der Temperatur des Werkstücks, das auf eine Temperatur erwärmt worden ist, die mindestens der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Werkstoffs entspricht. Vorzugsweise liegt die Temperatur bei niedrigen Aufheizgeschwindigkeiten 30°C bis 50°C über der Austenitisierungstemperatur, d. h. typischerweise in einem Bereich von 920°C bis 970°C. Derartige Werkstücktemperaturen werden in separaten Öfen erzeugt, wobei das Werkstück nach der Entnahmen aus dem Ofen und beim Einlegen in das Umformwerkzeug immer noch eine Temperatur von mindestens 800°C aufweisen sollte. Die Handhabungsgeschwindigkeit der Werkstücke muss entsprechend hoch sein, um eine Abkühlung des Werkstücks so weit es geht zu vermeiden. Bei einer Erwärmung des Werkstücks im Umformwerkzeug, insbesondere durch elektrische Widerstandserwärmung, ist die Temperatur des Werkstücks unmittelbar vor Beginn des Umformvorgangs deutlich höher als 800°C und kann über 1000°C liegen.The Gas should have a temperature of less than 40 ° C. The gas can here deliberately cooled down have been, for whatever reason the energy balance as possible should be avoided. Since gas is a relatively poor heat transfer medium and because much less heat from the workpiece is discharged to the gas, as to the forming tool, the plays Temperature of the gas has a less important role than the temperature of the forming tool. Theoretically it is possible that the temperature of the gas is in a range up to 300 ° C. The cheapest is it, when the temperature of the gas corresponds to the ambient temperature and therefore typically in a range around 20 ° C. This temperature is still far below the temperature of the workpiece, which is at a temperature heated has been at least the Austenitisierungstemperatur of the respective Material corresponds. Preferably, the temperature is low Heating rates 30 ° C to 50 ° C above the Austenitizing temperature, d. H. typically in one area of 920 ° C up to 970 ° C. Such workpiece temperatures be in separate ovens generated, wherein the workpiece after removal from the oven and when inserting into the forming tool should still have a temperature of at least 800 ° C. The handling speed the workpieces must be high enough to allow cooling of the workpiece so far it's about to be avoided. When heating the workpiece in the forming tool, in particular by electrical resistance heating, the temperature of the workpiece is immediate before the beginning of the forming process is significantly higher than 800 ° C and can be over 1000 ° C.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich rohrförmige Werkstücke aus einem Stahlwerkstoff in einem Zug, d. h. in nur einem einzigen Umformwerkzeug sowohl umzuformen, als auch in kürzester Zeit zu härten. Die Werkzeugkosten werden gegenüber bekannten, aufgeheizten Werkzeugen erheblich reduziert, da Standartwerkstoffe für die Werkzeuge zum Einsatz kommen können. Zu dem ist keine spezielle Isolation der Werkzeuge, d. h. eine zusätzliche Kühlung der Presse bzw. eines Pressenoberteils erforderlich. Es müssen auch keine separaten Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, in welchen das Werkstück in einem zweiten Schritt gekühlt, kaltverfestigt oder gehärtet werden muss.With the method according to the invention Is it possible tubular workpieces made of a steel material in one go, d. H. in just a single forming tool both transform, and in the shortest time Time to harden. The tool costs are compared known, heated tools considerably reduced, since standard materials for the tools can be used. There is no special isolation of the tools, ie. H. an additional cooling the press or a press shell required. It also has to no separate tools are provided in which the workpiece cooled in a second step, work-hardened or hardened must become.
Das Umformwerkzeug besitzt eine Temperatur, die maßgeblich abhängig ist von dem das Umformwerkzeug durchströmenden Kühlmedium. Bevorzugt hat das Kühlmedium eine Temperatur von unter 20°C, so dass auch die Umformwerkzeugtemperatur in einem Bereich unter 20°C liegt. Während des Betriebs kann sich die Temperatur des Umformwerkzeugs durch wiederholten Kontakt mit den vorgewärmten Werkstücken erhöhen. Dennoch wird angestrebt die Temperatur des Umformwerkzeugs in einem Temperaturbereich unterhalb von 50°C zu halten.The Forming tool has a temperature that is significantly dependent from the cooling medium flowing through the forming tool. Preferably that has cooling medium a temperature of less than 20 ° C, so that the forming tool temperature in an area below 20 ° C is. During the Operation, the temperature of the forming tool can be repeated by repeated Contact with the preheated workpieces increase. Nevertheless, the aim is the temperature of the forming tool in one Temperature range below 50 ° C to keep.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
betreffen die Ausführungsformen
der
Es zeigen:It demonstrate:
In
den Innenraum
Die
Ausführungsform
der
Die
Ausführungsform
der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Umformwerkzeugforming tool
- 22
- Werkstückworkpiece
- 33
- EndeThe End
- 44
- Formhohlraummold cavity
- 55
- Axialkolbenaxial piston
- 66
- Innenrauminner space
- 77
- Druckspeicheraccumulator
- 88th
- Rückschlagventilcheck valve
- 99
- DruckregelventilPressure control valve
- 1010
- PressenoberteilPress top
- 1111
- Untergesenklower die
- 1212
- Obergesenkupper die
- 1313
- Kolbenpiston
- 1414
- Kolben-Zylinder-AnordnungPiston-cylinder arrangement
- 1515
- Zylindercylinder
- 1616
- DruckübersetzerPressure intensifier
- 1717
- Kolbenpiston
- 1818
- Sekundärseitesecondary side
- PP
- Pfeilarrow
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