DE102010027093A1

DE102010027093A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils aus Metall

Info

Publication number: DE102010027093A1
Application number: DE102010027093A
Authority: DE
Inventors: Christian Smatloch; Ullrich Hammelmeier
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils aus Metall, insbesondere eine Rohres, mit folgenden Merkmalen: a) Das Hohlprofil (1) wird in eine Umformvorrichtung (2) eingebracht, welche eine Führungseinrichtung (3), eine Heizeinrichtung (5), eine Vorschubeinrichtung (10) und einen Führungsarm (7) aufweist; b) Vor der Umformung wird das Hohlprofil (1) in der Heizeinrichtung (5) im Durchlaufverfahren lokal erwärmt; c) Zur Erwärmung wird das Hohlprofil (1) mittels der Vorschubeinrichtung (10) durch die Heinzeinrichtung (5) geschoben; d) Das Hohlprofil (1) wird hinter der Heizeinrichtung (5) von dem Führungsarm (7) geführt, wobei die Führungsgeschwindigkeit (V1, V2) des Führungsarms (7) und/oder der Vorschubeinrichtung (10) zur Veränderung der Wanddicke des Hohlprofils (1) in der Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung (5) variiert wird, so dass zumindest ein Längenabschnitt des Hohlprofils (1) gestaucht oder gelängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils aus Metall gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Es zählt zum Stand der Technik, Halbzeuge mit nicht konstanten Wanddicken zu verwenden, um beanspruchungsgerechte Bauteile herzustellen. Die Wanddicke soll im Allgemeinen an Fügestellen oder Krafteinleitungspunkten höher sein als in Bereichen des Bauteils, die ungestört sind, also keiner Krafteinleitung unterliegen oder gefügt wurden. Durch Bauteile mit angepassten Wanddicken lässt sich ein optimaler Leichtbau realisieren.
Bauteile mit angepassten Wanddicken werden dadurch hergestellt, dass zum Beispiel Bleche unterschiedlich ausgewalzt und danach zu Rohren geformt werden ( DE 196 04 368 A1 ). Alternativ werden Bleche mit jeweils unterschiedlichen Wanddicken zu längeren Strukturen verschweißt und danach zu Rohren geformt.
Es zählt durch die EP 1 377 396 A1 ferner zum Stand der Technik, ein Rohr im Durchmesser zu reduzieren, indem es durch ein Ziehhohl gezogen wird. Durch den zeitweisen Einsatz eines Innendorns kann die Wanddicke zusätzlich reduziert werden. Ist der Innendorn im Ziehlhohl platziert, wird die Wanddicke reduziert. Wird der Innendorn zurückgezogen, wird die Wanddicke nicht reduziert. Auf diese Weise lassen sich Bauteile mit angepasster Wanddicke herstellen.
Es zählt auch zum Stand der Technik, Rohre auf Drückwalzmaschinen mit oder ohne Innendorn auszuwalzen und so die Wanddicke zu variieren. Beim Drückwalzen kann durch zusätzlichen Wärmeeintrag der Umformgrad erhöht werden. Ferner zählt es auch zum Stand der Technik, Bauteile mit angepasster Wanddicke durch Rundkneten herzustellen ( DE 103 37 929 A1 ).
Schließlich ist auch noch die Patchwork-Technik zu nennen, bei der über oder in ein Hohlprofil partiell ein weiteres Hohlprofil platziert wurde oder auch nur lokal ein Blechzuschnitt appliziert wird, um die Wanddicke in bestimmten Bereichen zu erhöhen.
Bei allen Verfahren, bei denen Quer- bzw. Längsschweißnähte notwendig sind, um das Hohlprofil herzustellen, besteht die Gefahr von Inhomogenitäten im Gefüge, welche sich festigkeitreduzierend auswirken können. Formgebende Werkzeuge, wie sie beispielsweise in der EP 1 377 396 B1 aufgezeigt werden, lassen lediglich die Herstellung von Halbzeugen mit zwei Wandstärken zu.
Das Rundkneten ist ein Verfahren, dass aufgrund der feingliedrigen, zahlreichen Werkzeuge und der relativ langen Prozessdauer relativ teuer ist.
Das Einsatzgebiet des Druckwalzens ist bevorzugt im Bereich größerer Rohrdurchmesser mit geringeren Wanddicken zu sehen, da anderenfalls die beim Drückwalzen auftretenden Kräfte nicht durch die Werkzeuge übertragen werden können. Werkzeuge müssen daher eine bestimmte Mindestgröße haben.
Die Patchwork-Technik führt aufgrund der Verbindungen zwischen den Bauteilen zu Inhomogenitäten und Sprüngen in der Wanddicke. Zudem ist der fertigungstechnische Aufwand für das Fügen des Patches mit dem zu verstärkenden Bauteil relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils aus Metall, insbesondere eines Rohres, aufzuzeigen, mit welchem es möglich ist, kostengünstig beanspruchungsgerechte Wanddickenbereiche auszubilden, wobei das Verfahren frei von den vorstehend erläuterten Nachteilen sein soll.
Diese Aufgabe ist beim Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Hohlprofil in eine Umformvorrichtung eingebracht. Die Umformvorrichtung umfasst eine Führungseinrichtung, eine Heizeinrichtung, eine Vorschubeinrichtung und einen Führungsarm. Vor der Umformung wird das Hohlprofil in der Heizeinrichtung im Durchlaufverfahren lokal erwärmt. Eine lokale Erwärmung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nur ein begrenzter Längenabschnitt des Hohlprofils erwärmt wird, aber nicht das Hohlprofil insgesamt. Die Umformung des Hohlprofils soll nur innerhalb des lokal erwärmten Längenabschnitts erfolgen. Zur Erwärmung wird das Hohlprofil mittels der Vorschubeinrichtung durch die Heizeinrichtung geschoben.
Das Hohlprofil wird hinter der Heizeinrichtung von dem Führungsarm geführt, wobei die Führungsgeschwindigkeit des Führungsarms und/oder der Vorschubeinrichtung zur Veränderung der Wanddicke des Hohlprofils in der Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung variiert wird. Dadurch kann zumindest ein Längenabschnitt des Hohlprofils gestaucht oder gelängt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Längen oder Stauchen der hierfür vorgesehenen Längenabschnitte durch unterschiedliche Führungsgeschwindigkeiten. Die unterschiedlichen Führungsgeschwindigkeiten können entweder durch ein Abbremsen des Führungsarms oder durch eine schnellere Bewegung des Führungsarms gegenüber der Vorschubeinrichtung bewirkt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass keine speziellen Werkzeuge für die diversen Wandstärkenverläufe notwendig sind. Das Verfahren ist somit sehr kostengünstig durchführbar. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass das umzuformende Hohlprofil eine hinreichende Unterstützung hat und insbesondere beim Stauchen nicht einknickt. Das ist aber über entsprechende Führungsmittel leicht realisierbar.
In praktischer Ausgestaltung besteht die Heizeinrichtung vorzugsweise aus wenigstens einem Induktor. Geeignete Induktoren können beispielsweise ringförmig sein. Für eine gleichmäßige Veränderung der Wanddicken ist eine vollumfängliche Erwärmung des Hohlprofils notwendig. Die plastische Umformung erfolgt nur in den erwärmten Bereichen, das heißt im Bereich der Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung bzw. kurz hinter der Heizeinrichtung, das heißt solange das Hohlprofil noch eine entsprechende Temperatur aufweist und noch nicht abgekühlt ist. Die Wärmeeinflusszone ist bevorzugt kurz, damit insbesondere beim Stauchen des Hohlprofils eine hinreichende Gegenkraft aufgebracht werden kann und das Material gleichmäßig verformt werden kann, ohne seitlich auszubrechen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es theoretisch möglich, ein gesamtes Hohlprofil zu längen oder zu stauchen. Das ist jedoch nicht beabsichtigt. Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, Bauteile mit unterschiedlichen Wanddickenabschnitten herzustellen. Das heißt, es ist mindestens ein gestauchter oder gelängter Längenabschnitt vorgesehen. Zwischen den gestauchten oder gelängten Längenabschnitten können sich daher durchaus auch Längenabschnitte befinden, die nicht gestaucht oder gelängt worden sind. Die Stauchungen können hinsichtlich der Wanddicken ebenso variiert werden wie die Längungen.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens wird mittels des Stauchens oder des Längens eine über den Umfang des Hohlprofils betrachtete gleichmäßige Wanddickenveränderung vorgenommen. Das setzt allerdings auch voraus, dass die Erwärmung gleichmäßig erfolgt, so dass bei einer rein in Axialrichtung gerichteten Kraft zum Stauchen oder Längen sich die gewünschte gleichförmige Veränderung der Wanddicke einstellt.
Ferner ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Wanddickenveränderungen nicht sprunghaft, sondern fließend auszubilden. Das heißt, die Führungsgeschwindigkeiten des Führungsarms bzw. der Führungseinrichtung sollen möglichst nicht sprungartig geändert werden, sondern können je nach gewünschter Wanddickenveränderung langsam zunehmen oder abnehmen. Über die Steuerung der Führungsgeschwindigkeiten bzw. der Differenzgeschwindigkeiten kann der Grad des Stauchens oder Längens und selbstverständlich auch die Geometrie der Übergangsbereiche zwischen gestauchten und ungestauchten bzw. gelängten und ungelängten Längenabschnitten eingestellt werden.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn im Anschluss an die Heizeinrichtung eine Abkühleinrichtung angeordnet ist, mit welcher das erwärmte Hohlprofil abgekühlt wird. Durch die der Heizeinrichtung nachgeschaltete Abkühleinrichtung wird die Wärmeeinflusszone kurz gehalten, so dass es auch bei längeren Hohlprofilen möglich ist, eine hinreichend große axiale Kraft zum Längen oder Stauchen des Hohlprofils in die Wärmeeinflusszone einzuleiten. Zudem kann die Abkühleinrichtung bei geeigneten Werkstoffen dazu verwendet werden, dass warm umgeformte Hohlprofil zu härten oder zu vergüten.
Die Heizeinrichtung in Kombination mit Abkühleinrichtung kann auch als Wärmebehandlungseinheit bezeichnet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren greift der Führungsarm das Hohlprofil erst nachdem die die Abkühleinrichtung durchlaufen worden ist. Der Führungsarm ist insbesondere Bestandteil eines dreidimensional im Raum verlagerbaren Manipulators, das heißt insbesondere eines Roboterarms. Der Führungsarm besitzt einen Greifer, welcher die gewünschten Führungsgeschwindigkeiten auf das herzustellende Hohlprofil überträgt.
Bei Bedarf kann die Programmierung des Manipulators mit dem Führungsarm so gestaltet werden, dass das Hohlprofil in der Erwärmungszone unter der Heizeinrichtung gebogen wird. Biegeradien, Biegewinkel und Biegeebene werden durch die Programmierung des Manipulators eingestellt. Der gebogene Hohlkörper kann einen weiteren Führungsarm erforderlich machen, um den ersten Führungsarm in einem anderen Längenabschnitt des Hohlprofils bei der Führung des Hohlprofils zu unterstützen, beispielsweise damit die notwendigen Biegekräfte oder auch die notwendigen Führungsgeschwindigkeiten aufgebracht werden. Der zweite Manipulator bzw. die Führungsarm dient bevorzugt auch zum Ausgleich der Schwerkräfte bei längeren und schon gebogenen Hohlprofilen.
In praktischer Ausführung ist das Führungswerkzeug am Führungsarm prismatisch ausgebildet. Die einzelnen Flächen des Prismas sind zu einem gemeinsamen Mittelpunkt des Prismas hin verstellbar, so dass dadurch das umzuformende Hohlprofil von außen gegriffen werden kann. Es können auch mehrere solcher Prismen hintereinander angeordnet sein, um eine noch größere Führungskraft und vor allen Dingen eine gleichmäßiger verteilte Führungskraft auf das umzuformende Hohlprofil zu übertragen. Eine solche Anordnung von mehreren Prismengreifern ermöglicht es, unterschiedliche Querschnitte des Hohlprofils (Durchmesser) ohne hohen Werkzeugaufwand oder Veränderung der Werkzeuge zu greifen.
Mit der Erfindung ist damit möglich, hinsichtlich der Wanddicke anforderungsgerechte Hohlprofile zu schaffen, beispielsweise als Rohre für Stabilisatoren von Kraftfahrzeugen. Zudem können solche Rohre zugleich gebogen und zudem noch gehärtet bzw. vergütet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt somit mehrere Fertigungsschritte innerhalb eines Arbeitsgangs. Es ist daher sehr kostensparend und effizient.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 ein zu bearbeitendes Hohlprofil in einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung des Umformbereichs während eines Längens des Hohlprofils und
3 eine vergrößerte Darstellung des Umformbereichs der 1 während des Stauchens des Hohlprofils.
1 zeigt das Grundprinzip des Verfahrens. Das herzustellende Hohlprofil 1 wird in eine Umformvorrichtung 2 eingebracht, welche eine Führungseinrichtung 3 mit mehreren Führungsrollen 4 beinhaltet. Die Führungsrollen 4 können eine Vorschubkraft auf das Hohlprofil 1 ausüben. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine separate Vorschubeinrichtung 10 zur Krafteinleitung vorgesehen, um das Hohlprofil 1 in Richtung des Pfeils P durch die Umformvorrichtung 2 zu schieben. Es ist aber auch denkbar, dass die Führungseinrichtung 3 gleichzeitig als Vorschubeinrichtung 10 fungiert.
Unmittelbar im Anschluss an die Führungseinrichtung 3 ist eine Heizeinrichtung 5 vorgesehen, gefolgt von einer Abkühleinrichtung 6. Die Heizeinrichtung 5 und die Abkühleinrichtung 6 können als Wärmebehandlungseinheit zusammengefasst werden. Aus der Nähe der Heizeinrichtung 5 zu der Abkühleinrichtung 6 ergibt sich, dass die Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung 5 relativ klein ist. Nur in diesem Bereich erfolgt eine Warmumformung des Hohlprofils 1, wobei die Wanddicke des Hohlprofils 1 zumindest in einem Längenabschnitt des Hohlprofils 1 durch Stauchen oder Längen des Hohlprofils 1 verändert wird.
Das Stauchen erfolgt durch eine Gegenhaltekraft, die durch einen Führungsarm 7 mit einem endseitigen Greifer 8 aufgebracht wird. Der Führungsarm 7 mit dem endseitigen Greifer 8 ist an einem Manipulator 9 befestigt. Hierbei handelt es sich um einen numerisch gesteuerten Roboterarm, welcher den Führungsarm 7 mit dem Greifer 8 in die gewünschte Position verlagert. Aus der Darstellung der 1 ist zudem zu erkennen, dass durch die Verlagerung des Greifers 8 bzw. des Führungsarms 7 aus der fluchtenden Anordnung zur Führungseinrichtung 3 ein Biegen des Hohlprofils 1 möglich ist. Das Biegen kann durch entsprechende Ansteuerung des Führungsarms 7 dreidimensional erfolgen.
2 zeigt in vergrößerter Darstellung das Längen des Hohlprofils 1 mit zeitgleichem Biegen. Das Hohlprofil 1 wird mit einer Führungsgeschwindigkeit V1 durch die Heizeinrichtung 5 geführt. Gleichzeitig ist die Führungsgeschwindigkeit V2, die durch den nicht näher dargestellten Führungsarm 7 aufgebracht wird, größer als die Führungsgeschwindigkeit V1. Dadurch wird das Hohlprofil 1 gedehnt, was zu einer deutlichen Reduzierung der Wanddicke des Hohlprofils 1 führt. Unmittelbar im Anschluss an die Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung 5 wird das gelängte Hohlprofil 1 durch die Abkühleinrichtung 6 abgekühlt. Hierbei kann es sich um eine Ringbedüsung handeln. Als Kühlmittel kann insbesondere Wasser eingesetzt werden. Die Heizeinrichtung 5 arbeitet vorzugsweise induktiv.
Im Unterschied zu der Variante gemäß 2 ist bei der 3 vorgesehen, das Hohlprofil 1 zu stauchen. Es ist zu erkennen, dass die Führungsgeschwindigkeit V2 des Führungsarms (kurzer Pfeil) kleiner ist als die Führungsgeschwindigkeit V1 (langer Pfeil) innerhalb der Führungseinrichtung 3. Dadurch kommt es zu einem Materialstau innerhalb der Wärmeeinflusszone unterhalb der Heizeinrichtung 5. Das aufgestaute Material wird genauso wie beim Längen des Hohlprofils 1 sofort wieder innerhalb der Abkühleinrichtung 6 abgekühlt, so dass sich am Hohlprofil 1 die gewünschte Wanddickenveränderung einstellt.
Bezugszeichenliste

1: Hohlprofil
2: Umformeinrichtung
3: Führungseinrichtung
4: Führungsrollen
5: Heizeinrichtung
6: Abkühleinrichtung
7: Führungsarm
8: Greifer
9: Manipulator
10: Vorschubeinrichtung
P: Pfeil
V1: Führungsgeschwindigkeit
V2: Führungsgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19604368 A1 [0003]
EP 1377396 A1 [0004]
DE 10337929 A1 [0005]
EP 1377396 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils aus Metall, insbesondere eine Rohres, mit folgenden Merkmalen: a) Das Hohlprofil (1) wird in eine Umformvorrichtung (2) eingebracht, welche eine Führungseinrichtung (3), eine Heizeinrichtung (5), eine Vorschubeinrichtung (10) und einen Führungsarm (7) aufweist; b) Vor der Umformung wird das Hohlprofil (1) in der Heizeinrichtung (5) im Durchlaufverfahren lokal erwärmt; c) Zur Erwärmung wird das Hohlprofil (1) mittels der Vorschubeinrichtung (10) durch die Heinzeinrichtung (5) geschoben; d) Das Hohlprofil (1) wird hinter der Heizeinrichtung (5) von dem Führungsarm (7) geführt, wobei die Führungsgeschwindigkeit (V1, V2) des Führungsarms (7) und/oder der Vorschubeinrichtung (10) zur Veränderung der Wanddicke des Hohlprofils (1) in der Wärmeeinflusszone der Heizeinrichtung (5) variiert wird, so dass zumindest ein Längenabschnitt des Hohlprofils (1) gestaucht oder gelängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stauchens oder Längens eine über den Umfang des Hohlprofils (1) betrachtete gleichmäßige Wanddickenveränderung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wanddickenveränderungen des Hohlprofils (1) nicht sprunghaft sondern fließend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Heizeinrichtung (5) eine Abkühleinrichtung (6) angeordnet ist, mittels welcher das erwärmte Hohlprofil (1) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das warm umgeformte Hohlprofil (1) mittels der Abkühleinrichtung (6) gehärtet oder vergütet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) mittels des Führungsarms (7) gebogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Führungsarm vorgesehen ist, welcher den Hohlkörper (1) ebenfalls greift und dadurch den ersten Führungsarm (7) unterstützt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsarm (7) über einen Manipulator (9) dreidimensional im Raum verlagerbar ist.