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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe aus einem Hohlprofil und einem Blechbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Auf dem Gebiet der Fertigungstechnik wird das dauerhafte Verbinden von mindestens zwei Einzelteilen gemäß DIN 8593 als Fügen bezeichnet. Mittels des Fügens wird an sogenannten Fügestellen ein lokaler Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken geschaffen.
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Eine Hauptgruppe aus dem Stand der Technik bekannter Fügeverfahren wird dabei gemäß DIN 8593-5 unter dem Oberbegriff des „Fügens durch Umformen” zusammengefasst. Diese herkömmlichen Verfahren lassen sich – neben drahtförmigen und nietbaren Körpern – auf Blech-, Rohr- und Profilteile anwenden. Bei Letzteren erfolgt das Fügen in diesem Fall unter anderem durch Quetschen, Verpressen oder Durchsetzfügen.
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Exemplarisch offenbart
DE 203 08 895 U1 einen Querträger zum Halten der Instrumententafel in einem Kraftfahrzeug aus einem langgestreckten Strangpressprofilteil, an dem Formteile zur Instrumenten- und Instrumententafelaufnahme und zum Anbringen des Strangpressprofilteils an der Karosserie des Fahrzeuges vorgesehen sind. Das Strangpressprofilteil weist dabei wenigstens über einen Teil seiner axialen Länge Flansche auf, an denen die Blechteile zur Instrumenten- oder Instrumententafelaufnahme durch Durchsetzfügen angebracht sind. Die Formgebung des hohlen Strangpressprofilteils erfolgt dabei durch dessen getrennte Innenhochdruckumformung.
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Als nachteilig mag der Zeit- und Materialaufwand erachtet werden, welcher mit diesem konventionellen Herstellungsverfahren notwendig verbunden ist. So umfasst der Fertigungsprozess zwei Arbeitsschritte: Das plastische Verformen des Strangpressprofilteils einerseits und das Durchsetzfügen der beiden Einzelteile andererseits.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, ein wirtschaftlicheres Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe aus einem Hohlprofil und einem Blechbauteil zu schaffen, welches dem Hohlprofil eine vorgegebene Form verleiht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine unkomplizierte und kompakte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zu seiner Durchführung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelost.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist demnach, Hohlprofil und Blechbauteil gemeinsam in ein geeignetes Formwerkzeug einzulegen und zu verbinden, während zugleich eine Innenhochdruckumformung des vom Formwerkzeug umschlossenen Hohlprofils erfolgt. Unter Innenhochdruckumformung (IHU), teilweise auch als Hydroforming oder Tube-Hydroforming bezeichnet, wird dabei im vorliegenden Zusammenhang jegliche für metallische Rohre geeignete wirkmedienbasierte Umformtechnik in einem geschlossenen Formwerkzeug mittels eines Innendrucks verstanden, welcher durch das Wirkmedium, typischerweise eine Wasser-Öl-Emulsion, in das Formwerkzeug bzw. im Hohlprofil eingebracht werden kann.
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Das Blechbauteil kann indes bereits umgeformt werden, noch bevor es – gemeinsam mit dem zur Verbindung vorgesehenen Hohlprofil – in das Formwerkzeug eingelegt wird. Auf diesem Wege kann eine gezielte plastische Formänderung des Blechbauteils im Hinblick auf dessen vorgesehenen Formschluss mit dem Hohlprofil in einen der Verbindung vorangehenden Arbeitsschritt abgetrennt werden, der – etwa in Gestalt einer Kaltumformung, Halbwarmumformung und Warmumformung – speziell auf die Werkstoffeigenschaften des Bleches angepasst und unabhängig von jenen des Hohlprofils ausgeführt werden mag. Auch eine exakte relative Ausrichtung von Hohlprofil und Blechteiles beim späteren Einlegen in das Formwerkzeug wird auf diese Weise erleichtert. Alternativ kann die Umformung des Blechbauteils selbst mittels des für die Umformung des Hohlprofils vorgesehenen Formwerkzeugs erfolgen, wenn dieses sich schließt.
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Erfindungsgemäß empfiehlt sich für die Durchführung eines derartigen Herstellungsverfahrens eine spezielle Fertigungsvorrichtung, die als Kombination eines Formwerkzeugs mit einem Fügewerkzeug erachtet werden kann. Die nachfolgend im Detail beschriebene Zusammenführung der Vorrichtungseigenschaften dieser beiden Werkzeuge gestattet es in entsprechender Art, die herkömmlicherweise am Formwerkzeug vollzogenen Arbeitsschritte zeitgleich mit jenen auszuführen, die nach dem Stand der Technik einem konventionellen Fügewerkzeug vorbehalten sind. Auf diesem Weg erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung unter verfahrensökonomischen Gesichtspunkten eine maßgebliche Verbesserung des gattungsgemäßen Herstellungsprozesses.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 den ersten Verarbeitungsschritt eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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1a den ersten Verarbeitungsschritt im Falle einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen zweiten Verarbeitungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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2a den zweiten Verarbeitungsschritt im Falle einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
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3 einen dritten Verarbeitungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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4 einen vierten Verarbeitungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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5 einen fünften Verarbeitungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und
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6 einen sechsten Verarbeitungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Die 1 bis 6 illustrieren die erfindungsgemäße Herstellung einer Baugruppe 13 (vgl. 6), welche in der Konstruktionslehre auch als Montagegruppe oder schlicht Gruppe bezeichnet wird. Unter diesen Begriff wird vorliegend jeder in sich geschlossene, aus zwei oder mehr Teilen und/oder Baugruppen niederer Ordnung bestehende Gegenstand gefasst. Ein erstes solches Einzelteil besitzt im gegebenen Szenario die Gestalt eines Hohlprofils 4 oder Metallrohres, also eines Rohr mit kreisrundem, quadratischem, ovalem oder anderem Querschnitt, dessen Wand im Wesentlichen aus Metall besteht, wobei hier überwiegend von Stahlwerkstoffen oder Leichtmetallen ausgegangen wird. Der Begriff des Hohlprofils wird in diesem Kontext unabhängig vom beabsichtigten Verwendungszweck des Einzelteils gebraucht, welches etwa im Fahrzeugbau als statisches oder konstruktives Element ebenso wie zur Durchleitung von flüssigen, gasförmigen oder festen Stoffen dienen kann.
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Ein Ziel des Herstellungsverfahrens liegt in der Verbindung des genannten Hohlprofils 4 mit einem Blechbauteil 5, also einem flachen, im Wesentlichen tafelförmigen Walzwerkfertigprodukt aus Metall. Das Blechbauteil 5 liegt dabei typischerweise in der Form eines Feinblechs vor, wie es vorwiegend in der Fahrzeugtechnik Einsatz findet, kann aber ebenso die Gestalt eines Grobblechs aufweisen, solange dies zur Anwendung eines gattungsgemäßen Durchsetzfügeverfahrens geeignet scheint.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahrens unterfällt dabei den Hauptgruppen Urformen und Umformen der formenden Fertigungsverfahren gemäß DIN 8580, sodass das die entsprechende Vorrichtung 1 prägende Bearbeitungswerkzeug nach dieser Dokumentationssystematik im Folgenden als Formwerkzeug bezeichnet werden soll. Als solches umfasst das Formwerkzeug zwei wesentliche Teile zur umformenden Bearbeitung des Hohlprofils 4, welche in ihrem Zusammenwirken die in der Werkzeugtechnik als Kavität bekannte Negativform wenigstens eines Teils des Hohlprofils 4 bilden. Diese Teile werden im vorliegenden Kontext – ohne Einschränkung auf den namensverwandten Herstellungsprozess des Gesenkschmiedens – als erstes Gesenk 2 und zweites Gesenk 3 betitelt, wobei im illustrierten Szenario das erste Gesenk 2 den oberen, das zweite Gesenk 3 den unteren Teil der Vorrichtung 1 bestimmen.
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Zum Zwecke der Innenhochdruckumformung wird das Formwerkzeug 2, 3 dabei im gegebenen Fall im Rahmen einer hydraulischen Presse betrieben, die neben dem Formwerkzeug 2, 3 ein entsprechendes, in den Abbildungen nicht dargestelltes Wasserhydraulikaggregat samt zugehöriger Steuerung umfassen mag. Die hydraulische Presse dient dabei als Zuhaltevorrichtung für das Formwerkzeug 2, 3, welche aufgrund der variablen Druckverläufe, die das erste Gesenk 2 und das zweite Gesenk 3 auseinanderdrücken, vorzugsweise möglichst hohe Zuhaltekraft und geeignete Regelung aufweist.
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Erfindungswesentlich ist indes die Ergänzung der Vorrichtung 1 um solche Merkmale, die herkömmlicherweise einem Fügewerkzeug zugeordnet werden, wie es im Rahmen des konventionellen Durchsetzfügens Anwendung findet. Gemäß diesem Ansatz weist die Vorrichtung 1 insbesondere eine Matrize 8 und einen Stempel 9 auf, die einander derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass zumindest zwei in die Vorrichtung 1 eingelegte Bleche mittels des Stempels 9 – ähnlich dem verwandten Tiefziehen – unter plastischer Deformation in die Matrize 8 gedrückt werden können. Durch eine geeignete Formgebung der Matrize 8 entsteht dabei eine druckknopfähnliche, nicht zerstörungsfrei lösbare Fügeverbindung, die die beteiligten Bauteilbereiche form- und kraftschlüssig miteinander vereint. Zum Zwecke der Integration von Form- und Fügewerkzeug ist dabei die Matrize 8 im ersten Gesenk 2, der Stempel 9 jedoch im dem ersten Gesenk 2 gegenüberliegenden zweiten Gesenk 3 angeordnet, sodass ein Schließen der Vorrichtung 1 auch Matrize 8 und Stempel 9 funktionsgemäß ausrichtet.
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Die Verfahrensvarianten der 1 und 1a unterscheiden sich dabei lediglich in der Beschaffenheit der jeweils verwendeten Blechbauteile 5, 5a insofern, als das Blech 5 gemäß 1 bereits in geeigneter Weise vorgeformt, jenes Blech 5a gemäß 1a jedoch in seinem ursprünglichen, weitestgehend flachen Ausgangszustand in der Vorrichtung 1 liegt. Im letzteren Fall bewirkt somit erst das Schließen der Vorrichtung 1 die angestrebte Deformation des Bleches 5a. Im Ergebnis bleibt gleichwohl festzuhalten, dass beide Alternativen im Wesentlichen zu einer in 2 gezeigten Anordnung des Hohlprofils 4 und des Blechbauteils 5 führen, welche sich ergibt, wenn die Vorrichtung 1 durch das Absenken des ersten Gesenks 2 auf das zweite Gesenk 3 geschlossen wurde.
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Wie 2 erkennen lässt, umfasst das Hohlprofil 4 im Bereich der vorgesehenen Fügestelle insbesondere einen Flansch 7, der im geschlossenen Zustand der 2 in flächiger Verbindung mit dem Blechbauteil 5 zwischen der Matrize 8 und dem Gesenk 9 verspannt ist. Dabei zeigt 2a eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung 1, bei welcher der Stempel 9 zum Aufbringen der erforderlichen Niederhalte- und Abstreifkraft um einen geeigneten Stempelabstreifer 10 ergänzt wurde, der den Stempel 9 im ersten Gesenk 2 umschließt.
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Ungeachtet der spezifischen Ausführung des Stempels 9 mit oder ohne Stempelabstreifer 10 ist den Vorrichtungen gemäß 2 und 2a gemein, dass das erste Gesenk 2 und das zweite Gesenk 3 eine Kavität 11 ausbilden, die im Wesentlichen der Negativform des gewünschten Hohlprofils 4 entspricht. Ein in das von der Kavität 11 umschlossene Hohlprofil 4 eingeleitetes Wirkmedium, wobei hier typischerweise eine Wasser-Öl-Emulsion Anwendung findet, kann auf diese Weise einen Innenhochdruck pi von bis zu 3.000 bar auf das Hohlprofil 4 ausüben und Letzteres plastisch verformen. Um das Entweichen des Wirkmediums weitgehend zu vermeiden, sind während dieses Verarbeitungsschritts die Rohrenden durch Dichtstempel abzudichten, die ihrerseits zum Beispiel durch nicht dargestellte Hydraulikzylinder der Vorrichtung 1 angetrieben werden mögen.
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Die 3 und 4 illustrieren nun, wie in diesem geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1 der Stempel 9 in Richtung der Matrize 8 abgesenkt wird. Abhängig von deren starrer oder beweglicher Ausgestaltung bewirkt in dieser Phase entweder eine Vertiefung im Boden der Matrize 8 oder das Nachgeben beweglicher Matrizensegmente, dass das Blech 5 und der Flansch 7 eine druckknopfähnliche Überschneidung 12 bilden.
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Diese Überschneidung 12 bleibt auch dann erhalten, wenn im Verarbeitungsschritt gemäß 5 der Stempel 9 in seine Ausgangsstellung innerhalb des ersten Gesenks 2 zurückkehrt und die Vorrichtung 1 durch das Anheben des ersten Gesenks 2 geöffnet wird. In diesem Endzustand des erfindungsgemäßen Prozesses kann die resultierende Baugruppe 13 aus Hohlprofil 4 und Blechbauteil 5 vom zweiten Gesenk 3 entnommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 8593 [0002]
- DIN 8593-5 [0003]
- DIN 8580 [0025]
