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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten
Hohlprofilen aus einem Metall, insbesondere Stahl oder einer Stahllegierung.
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Insbesondere
in Rahmenstrukturen von Kraftfahrzeugen aber auch in anderen technischen Bereichen
werden partiell verstärkte Hohlprofile eingesetzt, um gleichzeitig
eine bestimmte Festigkeit mit minimalem Gewicht zu erzielen. Entsprechende Hohlprofile,
insbesondere Rohre können durch sogenannte "tailored Tubes"
zur Verfügung gestellt werden, welche aus Rohren bestehend
aus unterschiedlichen Materialien und/oder unterschiedlichen Wanddicken
bestehen, die aneinander geschweißt sind. Hierdurch kann
das so hergestellte Bauteil beispielsweise an Stellen mit größerer
Wanddicke höhere Kräfte aufnehmen und übertragen.
Andererseits sind in den Bereichen, in welchen die Bauteil-Steifigkeit relativ
gering sein darf, die Wanddicke auf das minimal erforderliche Maß reduziert,
so dass das Gewicht des Bauteils gering bleibt.
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Problematisch
bei "modular Tubes" ist, dass diese relativ aufwändig zu
fertigen sind. Insbesondere bei einer hohen Anzahl an notwendigen,
verstärkten Bereichen ergibt sich eine hohe Anzahl an Rohren,
welche orbital aneinander geschweißt werden müssen.
Gleiches gilt natürlich auch für anders geformte
Hohlprofile aus "tailored Blanks". Zur Vereinfachung dieses Verfahrens
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 21 880 A1 bekannt, Verstärkungselemente,
welche ein Rohr teilweise oder komplett umschließen, auf
das zu verstärkende Rohr aufzuschieben und anschließend
durch ein Innenhochdruckumformverfahren derart umzuformen, dass
die partiellen Verstärkungselemente eine formschlüssige
Verbindung mit dem Rohr aufweisen. Das Innenhochdruckumformverfahren
ist allerdings im Hinblick auf die notwendigen Investitionskosten
für Vorrichtungen und Werkzeuge teuer, so dass die Herstellkosten
für ein partiell verstärktes Rohr relativ hoch
sind. Darüber hinaus ist aus dem Stand der Technik, aus
der
DE 198 19 484
A1 bekannt, während des Tiefziehens einer Platine
zu einem U-förmigen Profil, dieses mit einer Verstärkung
zu versehen, welche vor dem Umformvorgang auf der Platine angeordnet
ist. Schließlich ist aus der
DE 197 37 969 A1 bekannt,
bei der Herstellung von partiell verstärkten Halbzeugen
die Verstärkungselemente fest mit dem noch nicht umgeformten
Halbzeug zu verbinden. Die Herstellung einer festen Verbindung zwischen
Verstärkungselement und noch nicht umgeformten Halbzeug
ist einerseits arbeitsintensiv und führt andererseits zu
Spannungen im nachträglich umgeformten Halbzeug.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung
von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall
vorzuschlagen.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete
Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Platine mit einer Mehrzahl
auf der Platine angeordneter Verstärkungselemente aus Metall
durch die Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung
zu einem Hohlprofil umgeformt wird, wobei die auf der Platine angeordneten
Verstärkungselemente nach der Umformung zumindest über
einen Formschluss mit der umgeformten Platine verbunden sind, wobei
bevorzugt eine Verbindung nur unter Formschluss erfolgt.
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Es
hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass Platinen
mit darauf angeordneten Verstärkungselementen auch durch
die Einroll-Technik oder eine U-O-Umformung gemeinsam mit der Platine
umgeformt werden können, wobei gleichzeitig ein Formschluss
zwischen den Verstärkungselementen und der Platine erzielt
wird. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl oder eine hohe
Anzahl an Verstärkungselementen am Hohlprofil vorgesehen sind,
weil diese gleichzeitig mit der umgeformten Platine über
den Formschluss verbunden werden. Beim U-O-Umformen wird eine ebene
Platine zu einem Vorformkörper gemeinsam mit den auf der
Platine angeordneten Verstärkungselementen umgeformt, in einem
Gesenk zu einem geschlossenen Hohlprofil geformt und anschließend
verschweißt. Der Vorformkörper kann beispielsweise
einen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweisen. Es besteht
jedoch auch die Möglichkeit, andersartige Querschnittformen
für den Vorformkörper vorzusehen. Bei der Durchführung
der Einroll-Technik wird eine Platine gemeinsam mit den auf der
Platine angeordneten Verstärkungselementen in ein Gesenk
eingelegt, welches aus der ebenen Platine mit den darauf angeordneten
Verstärkungselementen das Hohlprofil formt. Dabei gleitet
die Platine, sofern ein Formkern verwendet wird, in einem Schlitzbereich
zwischen Formkern und Gesenk, bis sich die Kanten der Platine zum
Verschweißen gegenüberstehen. Bei innenliegenden
Verstärkungselementen kann die Einroll- Technik mit einem
Formkern durchgeführt, so dass der Formkern das Verprägen
der Verstärkungselemente mit der Platine hervorruft. Bei
außenliegenden Verstärkungselementen ist prinzipiell
auch eine formkernlose Durchführung der Einroll-Technik
möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können daher bereits vorhandene Anlagen zur Herstellung
von partiell verstärkten Hohlprofilen genutzt werden, so
dass die Investitionskosten gering sind. Zudem zeichnet sich das
erfindungsgemäße Verfahren durch geringe Zykluszeiten
aus, welche ebenfalls zur hohen Wirtschaftlichkeit beitragen. Schließlich
ist die Materialbelastung bei der U-O-Umformung sowie bei der Einrolltechnik besonders
gering, so dass noch weitere Umformungen des hergestellten Hohlprofils
möglich sind.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
eine gute Anpassung an den Einsatzzweck des partiell verstärkten
Hohlprofils dadurch erreicht, dass die Verstärkungselemente
an die Belastung angepasste Wanddicken aufweisen. Die unterschiedlichen
Wanddicken können verschiedene stärker und/oder
weniger stark belastete Bereiche des Hohlprofils berücksichtigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
ohne großen Aufwand durch Auswahl und Anordnung unterschiedlicher Verstärkungselemente
auf der Platine, belastungsgerecht ausgelegte, partiell verstärkte
Hohlprofile herzustellen, welche ohne weiteres auch eine hohe Anzahl
an verstärkten Bereichen aufweisen können.
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Ebenso
wie unterschiedliche Wanddicken können die Verstärkungselemente
aus an die Belastung angepassten Materialien bestehen. Beispielsweise
können verschiedene Stahllegierungen verwendet werden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass auch
Materialien verwendet werden können, welche nicht verschweißbar
sind, da die Verstärkungselemente über den Formschluss
mit der umgeformten Platine verbunden sind.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zudem auf
Belastungen im Einsatzzweck dadurch reagiert werden, dass die Verstärkungselemente
auf der Innenseite und/oder auf der Außenseite des Hohlprofils
angeordnet sind. Innen angeordnete Verstärkungselemente
benötigen, wie bereits oben ausgeführt, bei der
Verwendung der Einroll-Technik sowie bei der Durchführung
einer U-O-Umformung die Verwendung eines inneren Formkerns, um das
Verprägen der Versteifungselemente mit der das Hohlprofil
bildenden Platine zu erzielen.
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Gemäß einer
nächsten weitergebildeten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein geschlossenes
Hohlprofil dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass
die gegenüberliegenden Kanten der umgeformten Platine längsnahtverschweißt
werden.
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Wird
ein partiell verstärktes, rohrförmiges Hohlprofil
mit rundem Querschnitt hergestellt, kann ein besonders einfach geformtes,
partiell verstärktes Hohlprofil zur Verfügung
gestellt werden. Beispielsweise kann ein so hergestelltes, partiell
verstärktes Hohlprofil als Ausgangsprodukt zur Herstellung
weiterer, komplexerer Hohlprofile dienen.
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Um
das Herstellverfahren weiter zu vereinfachen, werden vorzugsweise
die Verstärkungselemente auf der Platine vor der Umformung
fixiert und/oder positioniert. Fixieren im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet, dass die Verstärkungselemente lediglich
hinsichtlich eines Verrutschens während der Umformung gesichert
werden. Dies kann einerseits durch die Gesenkform selbst erfolgen,
andererseits können auch Schweiß- und/oder Klebepunkte
sowie ein leichter Formschluss durch Umformen der Platine und der
Verstärkungselemente, beispielsweise in eine überbogene
U-Form, zum Fixieren verwendet werden. Ebenso kann ein Positionieren
auf den Platinen erfolgen. Im Unterschied zu dem aus dem Stand der
Technik bekannten "festen" Verbinden der Verstärkungselemente
mit der umzuformenden Platine, ist der Arbeitsaufwand deutlich geringer.
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Gegen
ein axiales Verrutschen der Verstärkungselemente können
diese nach einer weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
dadurch gesichert werden, dass nach dem Umformen die Verstärkungselemente
zusätzlich stoffschlüssig über Schweißpunkte,
-nähte und/oder Klebepunkte mit der Platine verbunden werden.
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Eine
besonders einfache zusätzliche Fixierung mindestens eines
Verstärkungselements kann dadurch erreicht werden, dass
mindestens ein Verstärkungselement den Umfang des Hohlprofils
umschließt und nach der Umformung an den gegenüberliegenden
Kanten verschweißt wird.
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Schließlich
kann das erfindungsgemäße Verfahren weiter dadurch
verbessert werden, dass während des Umformens weitere Funktionselemente durch
Prägen, Stanzen und/oder Ausformen in das Hohlprofil eingebracht
werden. Hierdurch wird die Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte
zur Herstellung eines entsprechenden Hohlprofils weiter verringert,
so dass auch die Herstellkosten entsprechend gesenkt werden können.
Als Funktionselemente können beispielsweise Verprägungen
und/oder Löcher aber auch Flansche in das Hohlprofil eingebracht werden.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße
Verfahren weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird einerseits
verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche,
andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
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1 in
einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer Platine
mit darauf angeordneten Verstärkungselementen vor dem Umformen,
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2 eine
Hohlprofilhälfte nach dem Umformen einer Platine aus 1 zu
einem Rohr gemäß einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls in
einer Schnittansicht,
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer vorgeformten Platine zur Fixierung
der Verstärkungselemente,
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4a),
b) in einer schematischen axialen Draufsicht auf eine Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zu zwei verschiedenen Zeitpunkten,
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5 in
einer axialen Draufsicht eine schematisch dargestellte Vorrichtung
zur Durchführung der Einroll-Technik mit Formkern gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie
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6 eine
Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung
der Einroll-Technik ohne Formkern gemäß einem
letzten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In 1 ist
in einer Schnittansicht eine Platine 1 mit darauf angeordneten
Verstärkungselementen 2', 2'', 2''' in
unverformtem Zustand dargestellt. Die Verstärkungselemente 2', 2'' und 2''',
auch Patches genannt, sind entweder nicht fixiert (2'), über Schweiß-
oder Lötpunkte 3 oder eine Kleberschicht 4 auf
der Platine 1 gegen ein Verrutschen fixiert. Die Kleberschicht 4 kann
auch als Klebepunkt ausgebildet sein. Die Fixierungen über
den Schweißpunkt oder den Lötpunkt 3 sowie
die Kleberschicht 4 oder den Kleberpunkt dienen lediglich
dazu die Verstärkungselemente gegen ein Verrutschen, beispielsweise
beim Einlegen der Platine in die Vorrichtung zum Umformen zu schützen.
Eine feste Verbindung zwischen Platine und Verstärkungselement
ist nicht gefordert. Nach dem Umformen, beispielsweise durch die
Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung werden
die Verstärkungselemente 2', 2'', 2''' mit
der umgeformten Platine 1 verprägt, so dass es
zu einem Formschluss zwischen umgeformter Platine 1 und
Verstärkungselementen 2', 2'', 2''' kommt.
Der Formschluss ist ausreichend, um die Verstärkungselemente 2', 2'', 2''' mit
der umgeformten Platine dauerhaft zu verbinden.
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Eine
weitere Positionierungsmöglichkeit der Verstärkungselemente 2 auf
der Platine 1 zeigt 3 in einer
schematischen Schnittansicht durch die vorgeformte Platine 1.
Die vorgeformte Platine 1 ist zu einem V geformt, auf welchem
das Verstärkungselement 2 formschlüssig
und/oder kraftschlüssig angeordnet ist. Der so hergestellte
Vorformkörper kann beispielsweise in einem U-O-Umformverfahren
zu einem geschlossenen Hohlprofil umgeformt werden. Dies zeigen
die 4a) und 4b) in
einer schematischen axialen Draufsicht auf eine Vorrichtung 5 zur
Durchführung einer U-O-Umformung.
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Eine
Vorrichtung 5 zur Durchführung der U-O-Umformung
weist ein Gesenk auf, welches beispielsweise aus zwei Gesenkhälften 6, 7 bestehen kann.
Die Gesenkhälften 6, 7 haben in geschlossenem
Zustand die Form des herzustellenden Hohlprofils. Die Platine 1 wird
mit den darauf angeordneten Verstärkungselementen 2,
welche hier nur durch eine Punktlinie dargestellt sind, in die Gesenkhälfte 7 eingelegt
und die Gesenkhälften 6 und 7 dann geschlossen.
Beim Schließen wird die Platine 1 mit den Verstärkungselementen 2 zu
einem geschlossenen Hohlprofil umgeformt, wie 4b)
zeigt. Die außenliegenden Verstärkungselemente 2 sind
nach dem Umformen mit der Platine 1, wie bereits in 2 dargestellt,
verprägt, so dass diese über einen Formschluss
mit der das Hohlprofil bildenden Platine verbunden sind. Anschließend
können die gegenüberliegenden Kanten der Platine
und der Verstärkungselemente mit in den Figuren nicht dargestellten
Mitteln zum Verschweißen verschweißt werden, so
dass ein geschlossenes Hohlprofil zur Verfügung gestellt
werden kann.
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Zwar
ist in der 4a) und 4b) ein
Verfahren zur Durchführung der U-O-Umformung mit außenliegenden
Verstärkungselementen 2 dargestellt, es ist jedoch
auch ohne weiteres vorstellbar, dass innenliegende Verstärkungselemente 2 verwendet werden,
wobei jedoch ein Formkern, ähnlich wie bei der später
beschriebenen Einroll-Technik zum Verprägen der innenliegenden
Verstärkungselemente zur Anwendung kommt.
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Ein
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung
der Einroll-Technik mit innenliegenden Verstärkungselementen
zeigt in einer schematischen Draufsicht 5. Das Gesenk
der Vorrichtung in 5 besteht aus zwei Gesenkhälften 8, 9.
Zwischen den Gesenkhälften 9 und 8 ist
die Platine 1 mit den darauf angeordneten Verstärkungselementen 2 eingelgt.
Zusätzlich ist ein Formkern 10 vorgesehen, welcher
beim Schließen der Gesenkhälften 8, 9 ein Verprägen
der innenliegenden Verstärkungselemente 2 mit
der Platine 1 verursacht. Optional kann ein Schwert 11 vorgesehen
sein, welches sich in axialer Richtung des herzustellenden Hohlprofils
erstreckt und zur Erzeugung eines Fügespaltes zwischen
den gegenüberliegenden Kanten der umgeformten Platine 1 dient.
Nach dem Umformen der Platine kann das so hergestellte Hohlprofil
einfach und prozesssicher längsnahtgeschweißt
werden.
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Schließlich
zeigt 6 eine Vorrichtung zur Durchführung der
Einroll-Technik ohne Formkern, wobei die Verstärkungselemente 2 auf
der Außenseite des später hergestellten Hohlprofils
vorgesehen sind. Sollten sowohl innenliegende als auch außenliegende
Verstärkungselemente 2 mit der Platine 1 umgeformt
werden, ist allerdings die Verwendung eines Formkerns 10 notwendig.
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Die
zuvor dargestellten Vorrichtungen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind konventionell,
relativ einfach aufgebaute Vorrichtungen, welche zu geringen Investitionskosten führen.
Im Ergebnis können mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren sowohl bei der Verwendung der U-O-Umformung als auch bei
der Verwendung der Einroll-Technik partiell verstärkte
und insbesondere eine Mehrzahl an verstärkten Bereichen
aufweisende Hohlprofile kostengünstig hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10221880
A1 [0003]
- - DE 19819484 A1 [0003]
- - DE 19737969 A1 [0003]