DE102016220221A1

DE102016220221A1 - Werkzeug zum Innenhochdruckumformen sowie Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch Innenhochdruckumformen

Info

Publication number: DE102016220221A1
Application number: DE102016220221.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schmolke; Johann-Stefan Lerch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN109496169A; CN109496169B; US11583913B2; WO2018072974A1; US20190151925A1; EP3525952A1

Abstract

Es wird ein Werkzeug (1) zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks (2), insbesondere zur Herstellung eines rohrförmigen Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, angegeben. Das Werkzeug (1) weist zumindest drei bewegliche Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) auf, welche eine formgebende Kavität (7) zur Aufnahme und Umformung des Werkstücks (2) begrenzen. Die beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) bilden in einem geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität (7) vollständig aus. Weiterhin wird ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks (2) durch Innenhochdruckumformen angegeben.

Description

Es wird ein Werkzeug zum Innenhochdruckumformen von Werkstücken angegeben. Weiterhin wird ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch Innenhochdruckumformen angegeben.
Beim Innenhochdruckumformen (IHU) wird z.B. ein metallisches Ausgangsrohrteil durch Aufbringen eines hohen Innendrucks zu einem rohrartigen Bauteil bzw. IHU-Bauteil umgeformt. Das Ausgangsrohrteil wird hierzu in die Kavität eines formgebenden IHU-Werkzeugs eingelegt und mit Hilfe eines in das Innere eingeleiteten Fluids, beispielsweise eine Wasser-Öl-Emulsion, im Wesentlichen quer zur Längsachse aufgeweitet, wobei der Rohrmantel des Ausgangsrohrteils gegen die Kavitätswandung gedrückt und hierbei entsprechend geformt wird.
Die Druckschrift DE 197 08 905 A1 zeigt insbesondere im Zusammenhang mit der 2 eine Vorrichtung zum Innenhochdruckumformen eines Karosseriehohlträgers, welche zwei Werkzeughälften aufweist, zwischen denen eine Trennlinie verläuft.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Innenhochdruckumformen ist, dass die herzustellenden Bauteile so konstruiert sein müssen, dass sie in Schließrichtung der Presse zum Schließen der Werkzeughälften keinen Hinterschnitt haben.
Weiterhin ist die Abstimmung der zwischen den beiden Werkzeughälften verlaufenden Trennlinie sehr aufwändig. Beispielsweise kann ein Versatz zu Qualitätseinbußen oder sogar zum Versagen des Bauteils führen.
Darüber hinaus ist vielfach, insbesondere bei einer komplexen Form des IHU-Bauteils, zunächst ein Vorformen in einem oder mehreren Prozessschritten erforderlich, wobei aus dem Ausgangsrohrteil ein vorgeformtes Ausgangsrohrteil für das anschließende Innenhochdruckumformen im IHU-Werkzeug erzeugt wird. Verjüngt sich z.B. der Bauteilquerschnitt im Verhältnis zum Rohteil, ist ein Vorformen, beispielsweise mittels Tauchgravur, zwingend notwendig.
Die Druckschrift DE 100 14 619 A1 zeigt im Zusammenhang mit der 26 eine Hydroformungsvorrichtung, welche vier voneinander beabstandete feste, unbewegliche Formen mit konkaven Flächen und vier jeweils zwischen den festen Formen angeordnete bewegliche Stempelformen aufweist. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist beispielsweise, dass aufgrund der festen Formen die umzuformenden Werkstücke axial in die Vorrichtung eingeschoben werden müssen. Aufgrund der beim Umformen mit dem Werkstück in Kontakt kommenden festen Formen sind fixe Bauteilradien vorgegeben. Weiterhin kann auch ein Vorformen nicht immer vermieden werden. Auch das Abstimmen der Trennlinien zwischen den festen Formen und den bewegliche Stempelformen ist sehr aufwändig.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, ein Werkzeug zum Innenhochdruckumformen von Werkstücken anzugeben, durch welches Prozessschritte zum Vorformen entfallen können und/oder durch welches auch Bauteile mit Hinterschnitt hergestellt werden können und/oder durch welches ein aufwändiges Abstimmen der Trennlinie entfallen kann. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks durch Innenhochdruckumformen anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
Ein hier beschriebenes Werkzeug zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks weist gemäß zumindest einer Ausführungsform wenigstens drei bewegliche Werkzeugsegmente auf. Bei dem Werkstück kann es sich insbesondere um einen Hohlkörper, beispielsweise um einen metallischen, rohrförmigen Hohlkörper, handeln. Nach dem Umformen durch Innenhochdruckumformen kann das geformte Bauteil z.B. als Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Die beweglichen Werkzeugsegmente begrenzen eine formgebende Kavität zur Aufnahme und Umformung des Werkstücks. Das Werkzeug kann einen oder mehrere offene Zustände sowie einen geschlossenen Zustand aufweisen. Im geschlossenen Zustand bildet das Werkzeug vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine vollständig geschlossene Kavität aus.
Vorzugsweise wird im geschlossenen Zustand des Werkzeugs die formgebende Kavität wenigstens abschnittsweise vollständig von den beweglichen Werkzeugsegmenten ausgebildet. Mit anderen Worten wird die geschlossene Kavität zumindest abschnittsweise allein durch die zumindest drei beweglichen Werkzeugsegmente gebildet. Die zumindest drei beweglichen Werkzeugsegmente können im geschlossenen Zustand des Werkzeugs wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität derart vollständig ausbilden, dass in einer gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie durch die beweglichen Werkzeugsegmente gebildet wird. Weiterhin können die beweglichen Werkzeugsegmente im geschlossenen Zustand des Werkzeugs nicht nur abschnittsweise, sondern über die gesamte Kavität hinweg die Kavität vollständig ausbilden, sodass über die gesamte Kavität hinweg in jeder möglichen gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie durch die beweglichen Werkzeugsegmente gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform steht im geschlossenen Zustand des Werkzeugs jedes der beweglichen Werkzeugsegmente mit zwei weiteren beweglichen Werkzeugsegmente in direktem Kontakt. Die beweglichen Werkzeugsegmente können im geschlossenen Zustand des Werkzeugs jeweils insbesondere in Bereichen, welche direkt an die Oberfläche der Kavität angrenzen, mit weiteren beweglichen Werkzeugsegmenten in Berührung stehen, sodass im geschlossenen Zustand allein durch die beweglichen Werkzeugsegmente eine geschlossene Kavität ausgebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Werkzeug derart ausgebildet, dass bei einem Umformen eines Werkstücks die im geschlossenen Zustand des Werkzeugs zwischen zwei beweglichen Werkzeugsegmenten angeordneten Trennlinien keinen direkten Kontakt zum Werkstück aufweisen. Vorzugsweise steht beim Umformvorgang keine der zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Werkzeugsegmenten angeordneten Trennlinien in Berührung mit dem Werkstück. Folglich kann es sich um einen Werkzeugaufbau ohne Trennlinie und Bauteileckradien handeln. Dadurch, dass das Werkstück keinen Kontakt zu einer Trennlinie aufweist, kann vorteilhafterweise eine bessere Qualität des zu fertigenden Bauteils erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Werkzeug vier bewegliche Werkzeugsegmente auf, welche im geschlossenen Zustand des Werkzeugs wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität vollständig ausbilden. Vorzugsweise bilden die vier beweglichen Werkzeugsegmente im geschlossenen Zustand des Werkzeugs über die gesamte Kavität hinweg diese vollständig aus, sodass in einer gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie durch die vier beweglichen Werkzeugsegmente gebildet wird.
Durch das hier beschriebene Werkzeug können vorteilhafterweise Prozessschritte zum Vorformen des Werkstücks entfallen. Weiterhin können mit dem hier beschriebenen Werkzeug beispielsweise auch Bauteile mit Hinterschnitten hergestellt werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch Innenhochdruckumformen angegeben. Bei dem Verfahren werden ein umzuformendes Werkstück sowie ein hier beschriebenes Werkzeug bereitgestellt. Das Werkzeug kann ein oder mehrere Merkmale der vorgenannten Ausführungsformen aufweisen. Die bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale können sowohl für das Werkzeug zum Innenhochdruckumformen als auch für das Verfahren zum Umformen eines Werkstücks gelten.
Bei dem Verfahren wird das umzuformende Werkstück in einem geöffneten Zustand des Werkzeugs in das Werkzeug eingebracht, sodass es zwischen den Werkzeugsegmenten angeordnet ist. Weiterhin wird das Werkstück im Werkzeug durch fluidischen Innenhochdruck umgeformt, wobei beim Umformen die zumindest drei beweglichen Werkzeugsegmente des Werkzeugs in direktem Kontakt mit dem Werkstück stehen. Der Innenhochdruck kann z. B. durch eine Wasser-Öl-Emulsion in das als Hohlkörper ausgebildete Werkstück eingebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die beweglichen Werkzeugsegmente im geschlossenen Zustand des Werkzeugs in einer gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie.
Vorzugsweise bilden die beweglichen Werkzeugsegmente im geschlossenen Zustand des Werkzeugs eine Kavität aus, wobei das Werkstück beim Umformen zumindest abschnittsweise nicht vollständig mit der Oberfläche der Kavität in Berührung steht. In anderen Worten steht das Werkstück vorzugsweise nicht über den kompletten Umfang zu 100 % mit der Kavität zur Oberfläche bzw. der Gravur in Berührung.
Beispielsweise können im geschlossenen Zustand des Werkzeugs jeweils zwei direkt zueinander benachbarte bewegliche Werkzeugsegmente eine Trennlinie am Übergang von einem Werkzeugsegment zum nächsten Werkzeugsegment definieren, wobei das Werkstück vorzugsweise im Bereich der Trennlinien keinen direkten Kontakt mit den Werkzeugsegmenten aufweist. Dadurch, dass das zu fertigende Bauteil keine Berührung zu den Trennlinien aufweist, kann eine bessere Qualität des Bauteils erzielt werden.
Bauteilradien des Werkstückes in Bereichen, welche keinen Kontakt zur Gravur bzw. Kavitätsoberfläche haben, können z.B. über Prozessparameter, wie z.B. über den Druck oder z.B. auch über Wandstärken gezielt gesteuert werden.
Das hier beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auch eine Herstellung von Bauteilen mit Hinterschnitten möglich ist. Weiterhin kann vorteilhafterweise auf ein Vorformen des Werkstücks verzichtet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Werkzeugs zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks bzw. eines hier beschriebenen Verfahrens zum Umformen eines Werkstücks durch Innenhochdruckumformen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 8 beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:

1 bis 4 verschiedene schematische Darstellungen eines Werkzeugs zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks gemäß dem Stand der Technik, und
5 bis 8 verschiedene schematische Darstellungen eines hier beschriebenen Werkzeugs bzw. eines hier beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Die 1 bis 4 zeigen schematische Darstellungen eines Werkzeugs 1 bzw. eines Verfahrens zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks 2 gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Ansichten. In der 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung gezeigt. Die 2 bis 4 zeigen Schnittdarstellungen, wobei die 2 das Werkzeug 1 in einem geöffneten Zustand, die 4 das Werkzeug 1 im geschlossenen Zustand und die 3 einen vergrößerten Ausschnitt G der 2 zeigen.
Das Werkzeug 1 weist ein erstes Werkzeugsegment 3 und ein zweites Werkzeugsegment 4 auf, wobei die beiden Werkzeugsegmente 3, 4 im geschlossenen Zustand 10 des Werkzeugs 1 eine geschlossene Kavität 7 ausbilden. In den 2 bis 4 ist das Werkstück 2 jeweils in zwei verschiedenen Darstellungen, nämlich in einer Darstellung vor dem Umformen und in einer Darstellung nach dem Umformen gezeigt.
Nachteilig bei dem im Zusammenhang mit den 1 bis 4 gezeigten Verfahren ist, dass die zwischen den Werkzeugsegmenten 3, 4 ausgebildete Trennlinie beim Umformen in direktem Kontakt mit dem Werkstück 2 steht. Die Abstimmung der Trennlinie kann sich bei der Konstruktion oder Herstellung des Werkzeugs 1 als sehr aufwändig gestalten.
Weiterhin lassen sich mit dem im Zusammenhang mit den 1 bis 4 gezeigten Werkzeug 1 keine Bauteile mit Hinterschnitt umformen. Darüber können je nach Bauteil ein oder mehrere Prozessschritte, in welchen das Werkstück 2 vorgeformt werden muss, notwendig sein.
In den 5 bis 8 sind verschiedene schematische Darstellungen eines Werkzeugs 1 zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die 5 zeigt dabei eine perspektivische Ansicht des Werkzeugs 1 und eines umzuformenden bzw. umgeformten Werkstücks 2. In den 6 bis 8 sind Schnittdarstellungen dargestellt, wobei die 6 das Werkzeug 1 in einem geöffneten Zustand, die 8 das Werkzeug 1 im geschlossenen Zustand und die 7 einen vergrößerten Ausschnitt H der 6 zeigen.
Das Werkzeug 1 ist als Innenhochdruckumform-Werkzeug ausgebildet und weist vier bewegliche Werkzeugsegmente 3, 4, 5, 6, die eine Form geben die Kavität 7 zur Aufnahme und Umformung eines Werkstücks 2 begrenzen, auf. Im geschlossenen Zustand 10 des Werkzeugs 1 bilden die 4 beweglichen Werkzeugsegmente 3, 4, 5, 6 wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität vollständig aus, und zwar derart, dass in einer gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie durch die vier beweglichen Werkzeugsegmente 3, 4, 5, 6 gebildet wird.
Weiterhin stehen die einzelnen beweglichen Werkzeugsegmente 3, 4, 5, 6 im geschlossenen Zustand 10 des Werkzeugs 1 jeweils mit 2 weiteren beweglichen Werkzeugsegmente 3, 4, 5, 6 in direktem Kontakt.
Beim Umformen des Werkstücks 2 durch einen fluidischen Innenhochdruck, beispielsweise durch ein Einbringen einer Wasser-Öl-Emulsion in das als Hohlkörper ausgebildete Werkstück 2 steht das Werkstück 2 im geschlossenen Zustand 10 des Werkzeugs 1 nicht durchgehend in Berührung mit der Oberfläche der Kavität 7. Insbesondere in Bereichen der zwischen 2 Werkzeugsegmenten 3, 4, 5, 6 ausgebildeten Trennlinien 8 steht das Werkstück 2 nicht mit Oberflächenteilbereichen 9 der Kavität 7 in Berührung.
Dadurch kann vorteilhafterweise auf eine aufwändige Abstimmung der Trennlinien 8 verzichtet werden. Weiterhin kann das Risiko eines Versatzes im umgeformten Bauteil aufgrund einer schlecht ausgebildeten Trennlinie 8 ausgeschlossen werden.
Das hier im Zusammenhang mit den 5 bis 8 gezeigte Werkzeug 1 bzw. das im Zusammenhang mit den 5 bis 8 beschriebene Verfahren eignet sich vorteilhafterweise auch zum Umformen von Werkstücken 2, welche einen Hinterschnitt aufweisen. Weiterhin kann durch das Werkzeug 1 ein im Stand der Technik zwingend notwendiges Vorformen von Werkstücken 2 vermieden werden.
Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Werkstück
3: erstes Werkzeugsegment
4: zweites Werkzeugsegment
5: drittes Werkzeugsegment
6: viertes Werkzeugsegment
7: Kavität
8: Trennlinie
9: Oberflächenteilbereich
10: geschlossener Zustand
G, H: vergrößerter Ausschnitt

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 19708905 A1 [0003]
DE 10014619 A1 [0007]

Claims

Werkzeug (1) zum Innenhochdruckumformen eines Werkstücks (2), insbesondere zur Herstellung eines rohrförmigen Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest drei bewegliche Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6), welche eine formgebende Kavität (7) zur Aufnahme und Umformung des Werkstücks (2) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität (7) vollständig ausbilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zumindest drei beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität (7) derart vollständig ausbilden, dass in einer gedachten Querschnittsebene eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie durch die beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) jedes der beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) mit zwei weiteren beweglichen Werkzeugsegmenten (3, 4, 5, 6) in direktem Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (1) vier bewegliche Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) aufweist, welche im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) wenigstens abschnittsweise die formgebende Kavität (7) vollständig ausbilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (1) derart ausgebildet ist, dass bei einem Umformen eines Werkstücks (2) keine Trennlinie zwischen zwei beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) in direktem Kontakt mit dem Werkstück steht.
Verfahren zum Umformen eines Werkstücks (2) durch Innenhochdruckumformen, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Werkzeugs (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, - Bereitstellen eines umzuformenden Werkstücks (2), und - Umformen des Werkstücks (2) im Werkzeug (1) durch fluidischen Innenhochdruck, wobei beim Umformen alle beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) des Werkzeugs (1) in direktem Kontakt mit dem Werkstück (2) stehen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) eine geschlossene umlaufende Kavitätsumrisslinie bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die beweglichen Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) eine Kavität (7) ausbilden, und wobei das Werkstück (2) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) zumindest abschnittsweise nicht vollständig mit der Oberfläche der Kavität (7) in Berührung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) jeweils zwei direkt zueinander benachbarte Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) eine Trennlinie definieren, und wobei das Werkstück (2) im geschlossenen Zustand (10) des Werkzeugs (1) im Bereich der Trennlinien keinen direkten Kontakt mit den Werkzeugsegmente (3, 4, 5, 6) aufweist.