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Extrudierte Konstruktionsrohre werden durch ein Extrudierwerkzeug extrudiert, auf Größe geschnitten und in einem Hydroformungsprozess geformt.
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Fahrzeughersteller implementieren leichtere, stärkere Materialien, wie z. B. Aluminiumlegierungen, um die Ziele der Emissionsverringerung zu erfüllen, die Ziele der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erfüllen, die Herstellungskosten zu verringern und das Fahrzeuggewicht zu verringern. Zunehmend anspruchsvollere Sicherheitsstandards müssen erfüllt werden, während das Fahrzeuggewicht verringert wird. Eine Herangehensweise, um diesen konkurrierenden Interessen und Zielen zu entsprechen, besteht darin, hochfeste röhrenförmige Aluminiumlegierung-Rohlinge in feste, leichte Hydroformungsteile durch Hydroformen zu formen.
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Die Typen der Aluminiumrohre enthalten rollennahtgeschweißte Rohre, extrudierte nahtlose Rohre und extrudierte Konstruktionsrohre. Die rollennahtgeschweißten und die extrudierten nahtlosen Rohre sind teuer. Es ist teuer, die rollennahtgeschweißten und die extrudierten nahtlosen Rohre in fertiggestellte Hydroformungsteile umzuformen. Extrudierte Konstruktionsrohre besitzen geringere Kosten, weil sie in einer kontinuierlichen Walzoperation gebildet werden, die einen größeren Linien- und Materialverwendungswirkungsgrad als extrudierte nahtlose Rohre und rollennahtgeschweißte Rohre besitzen.
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Extrudierte Konstruktionsrohre werden geformt, indem ein Aluminium-Pressblock bei einer hohen Temperatur und auf einem hohen Druck durch ein Extrudierwerkzeug extrudiert wird. Der diskontinuierliche Materialfluss über den Querschnitt der Form tritt auf, wenn sich das fließende Aluminium in der Dornplatte trennt und im Kappenabschnitt erneut zusammenläuft. Wenn das fließende Aluminium erneut zusammenläuft, um die extrudierte Form zu bilden, wird eine Bindenaht oder eine Verbindungslinie erzeugt. Die extrudierten Konstruktionsrohre können zwei oder mehr Bindenähte besitzen, die ein Artefakt des Bullaugen-Extrudierprozesses sind.
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Das Hydroformen komplexer Teile kann eine Folge von Biege-, Vorformungs-, Hydroformungs-, Lochungs- und Bearbeitungsoperationen erfordern. Das Biegen und das Hydroformen von Aluminiumrohren befinden sich gegenwärtig in Herstellungsoperationen mit hohem Volumen (d. h. mehr als 100.000 Einheiten/Jahr) nicht in Gebrauch. Es werden aluminiumintensive Fahrzeuge (AIVs) betrachtet, die Metallformungsverfahren verwenden, die mit aktuellen herkömmlichen Automobilherstellungsverfahren konsistent sind.
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In einer Hochdruck-Hydroformungsoperation (HPH-Operation) wird das Rohr in das HPH-Formwerkzeug eingesetzt, bevor irgendein Fluid unter Druck innerhalb des Rohrs bereitgestellt wird. Die Formwerkzeuge werden geschlossen, was zu einem Ausbeulen des Querschnitts des Rohrs führen kann. Ein inkompressibles Hochdruck-Hydroformungsfluid, wie z. B. Wasser, wird zugeführt, um das Rohr auszudehnen und zu formen, damit es dem Hohlraum des Formwerkzeugs entspricht. Für das Hydroformen der Teile in den HPH-Prozessen ist eine beträchtliche Nennkraft der Presse erforderlich. Es ist eine beträchtliche Ausdehnung des Rohrs (eine Umfangslänge der Linienausdehnung von mehr als 5 %) erforderlich, um irgendwelche Wölbungen des Rohrs zu eliminieren und komplex geformte Teile herzustellen. Es ist nicht durchführbar, die meisten Teile aus Aluminiumrohren mit HPH-Operationen bei hoher Ausdehnung zu formen, weil rollennahtgeschweißte, nahtlose Rohre und Konstruktions-Extrudierrohre aus Aluminium weniger formbar sind als Rohre aus weichem unlegierten Stahl.
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Die obigen Herausforderungen und weitere Herausforderungen werden durch diese Offenbarung behandelt, wie im Folgenden zusammengefasst wird.
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Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Verfahren zum Formen eines extrudierten Konstruktionsrohrs offenbart, um ein Teil zu formen. Das extrudierte Konstruktionsrohr wird zuerst in ein Hydroformungswerkzeug geladen. Das Hydroformungswerkzeug wird teilweise geschlossen, wobei das extrudierte Konstruktionsrohr mit einer Flüssigkeit auf einem ersten Druck beginnend gefüllt wird. Dann wird das Hydroformungswerkzeug geschlossen, wobei das Rohr in dem Hydroformungswerkzeug angeordnet ist. Der auf die Flüssigkeit ausgeübte Druckpegel wird auf einen zweiten Druckpegel erhöht, um das extrudierte Konstruktionsrohr zu formen, um das Teil zu formen.
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Das extrudierte Konstruktionsrohr kann entlang seiner Länge in einer Dreh-Zieh-Biegeoperation oder in einer Schub-Walz-Biegeoperation vorgebogen werden und kann in einem Vorformungswerkzeug radial vorgeformt werden. Die Vorbiege- und Vorformungsschritte gehen dem Laden des vorgebogenen/vorgeformten Rohrs in das Hydroformungswerkzeug voraus. Der Hohlraum des Hydroformungswerkzeugs besitzt eine Form mit einem Umfang, der kleiner als oder gleich bis 2 % größer als der Umfang des extrudierten Konstruktionsrohrs ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Formen eines Teils das Extrudieren einer Aluminiumlegierung durch ein Bullaugen-Extrudierwerkzeug, um ein extrudiertes Konstruktionsrohr zu bilden. Das Rohr wird auf die Sollgröße geschnitten und gebogen, um ein vorgebogenes Rohr zu bilden. Das vorgebogene Rohr kann entweder in einer Dreh-Zieh-Biegeoperation oder in einer Schub-Walz-Biegeoperation gebogen werden. (Wie der Begriff "Biegeoperation" hier verwendet wird, sollte er so verstanden und interpretiert werden, dass es sich entweder auf eine Dreh-Zieh-Biegeoperation oder auf eine Schub-Walz-Biegeoperation bezieht.) Das vorgebogene und vorgeformte Rohr wird in ein Hydroformungswerkzeug geladen, das teilweise geschlossen wird, um das vorgebogene und vorgeformte Rohr radial zu komprimieren. Das vorgebogene und vorgeformte Rohr wird in einem Hydroformungswerkzeug angeordnet und mit einer Flüssigkeit auf einem ersten Druckpegel gefüllt. Das Hydroformungswerkzeug wird vollständig geschlossen und der auf die Flüssigkeit ausgeübte Druckpegel wird auf einen zweiten Druckpegel erhöht, der größer als der erste Druckpegel ist, um das vorgebogene und vorgeformte Rohr in das Teil zu formen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung wird ein Verfahren zum Formen eines Teils aus einem extrudierten Konstruktionsrohr offenbart, das mit dem Extrudieren einer Aluminiumlegierung beginnt, um das extrudierte Konstruktionsrohr zu bilden. Das Rohr wird in einer Biegeoperation vorgebogen, um ein vorgebogenes Rohr zu bilden. Das vorgebogene Rohr wird dann in ein Vorformungswerkzeug geladen, wobei das Vorformungswerkzeug das Rohr radial komprimiert, um ein vorgebogenes/vorgeformtes Rohr zu formen. Das vorgebogene/vorgeformte Rohr wird mit einer Flüssigkeit auf einem ersten Druckpegel gefüllt, wie das Hydroformungswerkzeug teilweise geschlossen wird. Dann wird das Hydroformungswerkzeug gegen das vorgebogene/vorgeformte Rohr vollständig geschlossen, wobei der Druckpegel der Flüssigkeit auf einen zweiten Druckpegel erhöht wird, um das Rohr zu formen.
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Gemäß weiteren Aspekten dieser Offenbarung, die mit irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren kombiniert werden können, kann der Extrudierschritt ferner das Extrudieren von Aluminium bei einer Pressblocktemperatur, die größer als 450 °C und kleiner als 600 °C ist, durch ein Extrudierwerkzeug umfassen, das eine Dornplatte, die das erwärmte Aluminium trennt, und einen Kappenabschnitt, der das erwärmte Aluminium erneut zusammenlaufen lässt, um das extrudierte Konstruktionsrohr zu bilden, enthält, wobei mehrere Bindenähte dort ausgebildet werden, wo das erwärmte Aluminium erneut zusammenläuft. Das Extrudierwerkzeug kann ein Bullaugen-Extrudierwerkzeug sein, was außerdem als ein Extrudierwerkzeug für extrudierte Konstruktionsrohre bezeichnet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung, der mit irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren kombiniert werden kann, ist der Schritt des Vorbiegens des extrudierten Konstruktionsrohrs eine Biegeoperation, die in einem Dreh-Zieh-Biegewerkzeug oder in einem Schub-Walz-Biegewerkzeug ausgeführt werden kann.
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Gemäß weiteren Aspekten dieser Offenbarung, die mit irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren kombiniert werden können, kann der Schritt des Erhöhens des Druckpegels ferner das Erhöhen des Druckpegels beginnend mit dem Schritt des Füllens des Rohrs umfassen, wobei der Druckpegel allmählich auf den zweiten Pegel erhöht wird. Der erste Druckpegel kann als ein Schließdruck bezeichnet werden, während der zweite Druckpegel als ein Eichdruck bezeichnet werden kann. Der Schritt des Erhöhens des Druckpegels innerhalb des Rohrs in dem Hydroformungswerkzeug führt dazu, dass das Hydroformen des Rohrs in das Formwerkzeug ausgeführt wird. Der Schritt des Erhöhens des Druckpegels innerhalb des Rohrs in dem Hydroformungswerkzeug kann ferner das Hydrolochen des Rohrs umfassen.
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Die obigen Aspekte dieser Offenbarung und weitere Aspekte werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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1 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel eines Druckverlaufs-Hydroformungsprozesses zum Extrudieren eines Konstruktionsrohrs veranschaulicht;
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Bullaugen-Extrudierwerkzeugs;
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3 ist eine graphische Darstellung eines Dreh-Zieh-Biegewerkzeugs, das einen Abschnitt eines Rohrs vorformt;
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4 ist eine graphische Querschnittsansicht eines vorgeformten Rohrs in einem Vorformungswerkzeug;
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5 ist eine graphische Querschnittsansicht des Vorformungswerkzeugs, das das vorgebogene/vorgeformte Rohr radial komprimiert;
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6 ist eine graphische Querschnittsansicht des mit einer Flüssigkeit gefüllten Rohrs in einem Hydroformungswerkzeug auf einem ersten Druckpegel;
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7 ist eine graphische Querschnittsansicht des Hydroformungswerkzeugs, das über dem vorgebogenen/vorgeformten Rohr auf einem zweiten Druckpegel oder einem Eichdruckpegel vollständig geschlossen ist; und
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8 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Rohrs, das mit einem Hydrolochungs-Lochstanzer hydrogelocht wird.
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Eine ausführliche Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden bereitgestellt. Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele der Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um die Einzelheiten spezieller Komponenten zu zeigen. Die in dieser Anmeldung offenbarten spezifischen strukturellen und funktionalen Einzelheiten sind nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage zu interpretieren, um einem Fachmann auf dem Gebiet zu lehren, wie die Erfindung zu praktizieren ist.
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In 1 und 2 ist ein Beispiel eines Prozesses für das Hydroformen eines extrudierten Konstruktionsrohrs veranschaulicht. Der Prozess beginnt bei 12 durch das Formen eines extrudierten Konstruktionsrohrs in einem Bullaugen-Extrudierwerkzeug. In 2 ist ein Beispiel eines Bullaugen-Extrudierwerkzeugs 14 veranschaulicht. Das Bullaugen-Extrudierwerkzeug 14 enthält eine Dornplatte 16 und einen Kappenabschnitt 18. Ein Aluminium-Pressblock 20 wird erwärmt und durch das Bullaugen-Extrudierwerkzeug 14 extrudiert. Der Aluminium-Pressblock 20 wird bei hoher Temperatur und hohem Druck durch das Extrudierwerkzeug 14 extrudiert. Das extrudierte Aluminium wird in der Dornplatte 16 getrennt und läuft in dem Kappenabschnitt 18 wieder zusammen. Der Punkt, an dem das Aluminium wieder zusammenläuft, erzeugt die Bindenähte 26 in dem extrudierten Rohr 22. Das extrudierte Rohr 22 kann als ein extrudiertes Konstruktionsrohr bezeichnet werden. Das extrudierte Rohr 22 wird in einer kontinuierlichen Walzoperation geformt.
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In den 1 und 3 wird das extrudierte oder Konstruktionsrohr 22 bei 30 auf Länge geschnitten. Wie in 3 gezeigt ist, wird das Rohr dann bei 32 in einem Dreh-Zieh-Biegewerkzeug 34 vorgeformt.
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In den 1 und 4 wird das vorgeformte Rohr 36 bei 38 ein Vorformungswerkzeug 39 geladen. Wie in 4 gezeigt ist, wird das vorgeformte Rohr 36 in das Vorformungswerkzeug 39 geladen, das als ein zweiteiliges Formwerkzeug 39 gezeigt ist, wobei es aber ein Formwerkzeug sein könnte, das mehr als zwei Teile besitzt.
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In den 1 und 5 ist es der nächste Schritt in dem Prozess, das Vorformungswerkzeug 39 teilweise zu schließen, um das vorgeformte Rohr bei 42 radial zu komprimieren. In 5 ist spezifisch veranschaulicht, wie das vorgeformte Rohr 36 (das in 4 gezeigt ist) in dem Vorformungswerkzeug 39 komprimiert wird, um ein vorgebogenes/vorgeformtes Rohr 44 zu formen.
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In den 1 und 6 ist der nächste Schritt in dem Prozess, das Rohr in einem Hydroformungswerkzeug 40 mit einer Flüssigkeit auf einem ersten Druckpegel zu füllen.
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Der erste Druckpegel liegt innerhalb des Bereichs von 50 bis 200 bar bei einem Nenndruck von 100 bar. Dies ist in 6 veranschaulicht, in der das vorgebogene/vorgeformte Rohr 44 mit einer Hydroformungsflüssigkeit 48, wie z. B. Wasser, gefüllt ist. Das vorgebogene/vorgeformte Rohr 44 ist in 6 im Vergleich zu seinem Zustand in 5 weiter komprimiert gezeigt.
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In den 1, 7 und 8 ist es der nächste Schritt in dem Prozess, das Hydroformungswerkzeug bei 50 vollständig zu schließen. In 7 ist das Hydroformungswerkzeug 40 vollständig geschlossen gezeigt, wobei das vollständig geformte Teil 52 mit dem Formwerkzeug übereinstimmt und wobei die Flüssigkeit 48 das vollständig geformte Teil 52 füllt. In 1 geht der Prozess durch das Erhöhen des Druckpegels der Flüssigkeit auf einem zweiten Pegel weiter, um das Teil bei 54 zu formen und hydrozulochen. Der zweite Druckpegel liegt im Bereich von 750 bis 2.000 bar einem Nenndruck von 1.000 bar.
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In 8 ist das fluidgeformte Teil 52 von einem Hydroformungs-Locher 56 isoliert gezeigt. Der Hydroformungs-Locher 56 kann als ein Teil des Hydroformungswerkzeugs 40 enthalten sein, um während des Hydroformungs-Prozesses in dem Hydroformungswerkzeug 40 ein Loch 58 in das Teil 52 zu stanzen. Wenn das Loch 58 gebildet wird, wird ein Abfall 70 teilweise von dem Teil 52 getrennt.
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In 1 kann das Teil bei 64 beschnitten werden, wobei, wie angegeben ist, die Beschneideoperation eine Laserbeschneideoperation sein kann. Es sollte selbstverständlich sein, dass anstelle des Laserbeschneidens andere Typen von Beschneideoperationen verwendet werden können. Nach der Laserbeschneideoperation kann das Teil bei 66 wärmebehandelt werden, um die Aluminiumlegierung künstlich zu altern. Das Teil kann dann bei 68 einer Stapel-Vorbehandlung unterworfen werden, vorzugsweise mit mehreren anderen Teilen, um einen Umwandlungsüberzug aufzubringen.
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Das Druckverlauf-Hydroformen kann verwendet werden, um einen geraden, longitudinal vorgebogenen und/oder transversal vorgeformten Rohrrohling 36 zu formen. Das vorgebogene/vorgeformte Rohr 44 wird in dem Hydroformungswerkzeug 40 angeordnet und mit der Hydroformungsflüssigkeit 48 oder Wasser auf einem niedrigen Druck gefüllt, der als der Schließdruck bezeichnet werden kann, bevor das Hydroformungswerkzeug 40 vollständig geschlossen wird. Wie das Hydroformungswerkzeug 40 geschlossen wird, wird der Eichdruck allmählich erhöht, um das Rohr in dem Hydroformungswerkzeug 40 zu formen. Die Ecken des Teils werden hauptsächlich während des Schließens des Formwerkzeugs geformt, wobei der röhrenförmige Rohling die Nenn-Wanddicke beibehält, um das Formen von Materialien mit einer geringeren Umformbarkeit zu ermöglichen und um das Aufrechterhalten der strukturellen Integrität des Rohres 36 sicherzustellen.
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Der Innendruck innerhalb des Rohrs widersteht der Tendenz des Rohrs, zu kollabieren, was andernfalls beim Schließen des Hydroformungswerkzeugs 40 auftreten kann. Der Fluid-Schließdruck in dem Rohr ist immer größer als null. Der Eichdruck wird verwendet, um das Rohr 36 zu formen, und erlaubt die Verwendung von Pressen mit geringerem Druck und führt zu geringeren Investitionskosten. Außerdem macht es das Druckverlauf-Hydroformen möglich, komplexe Teile, die eine größere strukturelle Integrität besitzen, mit verbesserter Genauigkeit zu formen.
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Der Druckverlauf-Hydroformungsprozess sollte, wenn er auf ein extrudiertes Konstruktionsrohr angewendet wird, ausgeführt werden, um die Ausdehnung zu minimieren. Das Druckverlauf-Hydroformen stellt die strukturelle Integrität des Teils sicher, selbst wenn der röhrenförmige Aluminiumrohling eine geringere Umformbarkeit als die des Stahls besitzt.
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Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens beschreiben. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Einschränkung, wobei es selbstverständlich ist, das verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, wie sie beansprucht ist. Die Merkmale der verschiedenen implementierenden Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der offenbarten Konzepte zu bilden.
