DE10220429B4

DE10220429B4 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers

Info

Publication number: DE10220429B4
Application number: DE10220429A
Authority: DE
Inventors: Peter Amborn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: US6862910B2; US20030209046A1; DE10220429A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers mit sich in Längsrichtung ändernder Querschnittsform in einer der gewünschten Endkontur ausgebildeten Werkzeugform, wobei ein rohrförmiger Hohlkörper mit nahezu gleicher Ausgangswandstärke mit Innendruck beaufschlagt wird, wobei in den Bereichen der höchsten Umformgrade der rohrförmige Hohlkörper die höchste Temperatur aufweist, wobei nach Anlage des Hohlkörpers an die Wandung der Werkzeugform die Temperatur dort vermindert wird, wobei nachfolgend in den Nachbarbereichen niedrigerer Umformgrade die Temperatur dort am höchsten ist, bis wiederum der Hohlkörper in diesem Bereich an der Wandung der Form anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers mit sich in Längsrichtung ändernder Querschnittsform in einer mit einer gewünschten Endkontur ausgebildeten Werkzeugform, wobei ein rohrförmiger Hohlkörper mit nahezu gleicher Ausgangswandstärke mit Innendruck beaufschlagt wird.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 29 41 972 bekannt. Hierbei wird ein rohrförmiger Rohling aus Aluminium/Magnesium in dem zu verformenden Bereich auf mehr als 500° C erwärmt, wobei das Druckmittel, beispielsweise ein Gas, ebenfalls auf mindestens 500° C erwärmt wird, um das Fließen des Materials während des Verformungsvorganges in die Kontur der Form des Werkzeuges zu erleichtern. Bei Stahl wird eine Temperatur von ca. 800° C gelehrt. Mit diesem Verfahren, das auch unter dem Begriff "Hydroumformung" bekannt ist, sind allerdings nur sanfte Übergänge zwischen den Durchmessern der einzelnen Querschnittsformen, die bewerkstelligt werden sollen, möglich, wobei, um eine nahezu gleichbleibende Wandstärke zu erreichen, ein Nachschub an Material durch Stauchung erforderlich ist. Steile Übergänge sind nur mit Verringerung der Ausgangswandstärke realisierbar; denn nur sanfte Übergänge zu größeren Umfängen gewährleisten, dass Überstülpungen bzw. Überwerfungen oder Falten des hohlen Metallkörpers bei den benötigten Axialdrücken vermieden werden. Das heißt, es sind nach dem bekannten Stand der Technik entweder kleinere Umformgrade mit steilen Übergängen und entsprechend nachgeschobenen Materialanteil möglich, oder sanfte Übergänge mit höheren Umformgraden bei gleichfalls ausreichendem Materialnachschub.

Aus der DE 199 44 679.2-14 ist nun ein Verfahren bekannt, bei dem das Rohr während des Verformungsvorganges gestaucht wird, wobei der Rohling während der Umformung im Bereich der hohen Umformgrade im Werkzeug eine höhere Temperatur aufweist, als im Bereich geringerer Umformgrade. Die Temperatur des Rohlings ist also abhängig von dem jeweiligen Umformgrad. Durch die höhere Temperatur wird die Dehnungsfähigkeit des Materials insgesamt erhöht, was bedeutet, dass beim Zusammenschieben der beiden Rohrenden aufeinander zu in diesem Bereich das Material schneller fließt und mithin die Form schneller ausfüllt, als in anderen Bereiche, in denen die Übergänge weniger steil im Querschnitt und weit weniger auskragend gewählt sind.

Es hat sich allerdings herausgestellt, dass es bei diesem Verfahren unter bestimmten Umständen zu einer Faltenbildung oder Überstülpung des Hohlkörpers während des Materialschubes in Axialrichtung bei niedriger Innendruckkomponente kommen kann.

Gegenstand der Erfindung sind nun zwei Verfahrensvarianten zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers gemäß der eingangs genannten Art, mit denen Faltenbildungen, Überstülpungen und andere unerwünschte Effekte vermieden werden können.

Nach der ersten Variante ist vorgesehen, dass in den Bereichen der höchsten Umformgrade der rohrförmige Hohlkörper die höchste Temperatur aufweist, wobei nach Anlage des Hohlkörpers an die Wandung der Werkzeugform im Bereich der höchsten Umformgrade die Temperatur dort vermindert wird, wobei nachfolgend in den Nachbarbereichen mit niedrigeren Umformgraden die Temperatur dort am höchsten ist, bis wiederum der Hohlkörper mit der Werkzeugform in Kontakt gekommen ist. Das gleiche geschieht dann mit den weiteren Nachbarbereichen in Richtung geringerer Umformgrade fortlaufend bis der gesamte Hohlkörper entsprechend der Kontur der Werkzeugform ausgebildet ist. Das heißt, die Verformung erfolgt sequentiell, von Bereichen hoher Umformgrade zu Bereichen niedriger Umformgrade mit den entsprechenden Temperaturen bei der Umformung. Wesentlich ist hierbei, dass zu Beginn der Umformung die Stärke der Hohlkörperwandung so gewählt wird, dass nach der Umformung die gewünschte Wandstärke entsteht.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Aus der Lehre des Anspruches 1 wird deutlich, dass zunächst die Bereiche des Hohlkörpers mit einem hohen Umformgrad verformt werden, da dort die hohen Temperaturen vorherrschen. In diesen Bereichen der hohen Umformgrade nimmt der Werkstoff auf Grund der hohen Verformung im Querschnitt ab. Die Gefahr der Faltenbildung ist insofern in diesem Bereich gering, als die diesem Bereich benachbarten Bereiche mit geringem oder geringerem Verformungs- oder Umformgrad relativ gesehen kühler sind, und dort eine Verformung dementsprechend den Enden zugerichtet stetig abnimmt. Das Material im Bereich des hohen Umformgrades steht also während der Umformung unter Zugbeanspruchung. Die anfängliche Verformung des Rohlings sollte sich über die Länge des Rohlings mit höheren Umformgraden so erstrecken, dass eine Art langer Blase mit stetigem Übergang entsteht. Die Temperatur der Rohrendenbereiche ist hierbei so zu gestalten, dass auch unter dem während des Umformvorganges auftretenden höchsten Innendruck diese sich nicht verformen, um die Zugbeanspruchung aufrechtzuerhalten, um Überstülpungen und Faltenbildung zu vermeiden. Die Endverformung in den Bereichen geringer Umformgrade setzt vielmehr erst dann ein, wenn dort die Temperatur entweder durch Nachheizen oder der Innendruck entsprechend erhöht worden ist. Die Umformung in den Endbereichen setzt auch dann ein, wenn das Material aus diesen Bereichen geringerer Umformgrade in Bereiche höherer Umformgrade abgeflossen ist, und in Bereichen hoher Umformgrade eine Abkühlung des Werkstückes durch Anlage an die Wandung des Werkzeuges eingetreten ist. Das heißt, dass das Werkstück während der Verformung in den einzelnen Abschnitten axial gesehen immer eine Zugspannungskomponente aufweist. Auf Grund der Zugbeanspruchung des Materials während der einzelnen, nacheinander folgenden Umformschritte kann demzufolge eine Faltenbildung nicht auftreten. Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens gemäß der zuvor geschilderten Art ist, dass der rohrförmige Hohlkörper als Rohling eine gewisse Mindestwandstärke aufweist, wobei die Wandstärke in einem bestimmten Verhältnis zu dem Grad der gewünschten Umformung steht.

Nach einer besonderen Ausführungsform zu diesem Verfahren ist vorgesehen, dass zur Erzielung einer annähernd gleichen Wandstärke während der Verformung von Bereichen geringer Umformgrade über die Länge des Hohlkörpers unter Innendruck der Hohlkörper axial auf Zug beansprucht wird. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass in den Bereichen geringer Umformgrade auch weniger an Material benötigt wird. Würde dies nicht berücksichtigt, so würde das Material im Bereich der hohen Umformgrade von der Wandstärke her dünner, als im Bereich geringerer Umformgrade, was in bestimmten Fällen unerwünscht ist. Um dennoch ein Werkstück mit über die Länge im Wesentlichen identischer Wandstärke zu erzielen, wird demzufolge vorgeschlagen bei der Verformung des Werkstückes im Bereich der geringeren Umformgrade das Werkstück selbst axial auf Zug zu beanspruchen, um Material aus diesem Bereich herauszunehmen, das an sich für die Verformung unter der Prämisse einer gleichen Wandstärke über die Länge des Hohlkörpers nicht erforderlich ist.

Unter diesem Aspekt ist dafür Sorge zu tragen, dass der Hohlkörper endseitig derart abgedichtet ist, dass tatsächlich auch Zugkräfte während der Aufrechterhaltung des Innendrucks übertragen werden können.

Gleiches gilt für den Fall, wenn der Hohlkörper gestaucht wird. Allerdings ist beim Stauchen während der Umformung dafür Sorge zu tragen, dass die durch den Innendruck erzeugte Kraftkomponente im Material in axialer Richtung immer größer ist, als die axiale Druckkomponente während des Stauchens, um Überstülpungen auszuschließen.

Nach Abschluss des Umformvorganges kann die Temperatur des Werkstückes insgesamt auf ein höheres Niveau gebracht werden, um den Hohlkörper zu kalibrieren, oder bei Leichtmetallen den Effekt der "Orangenhaut" zu vermeiden. Die Temperatur bei den Leichtmetallen sollte dann vorteilhafterweise zwischen 500 und 550° C, bei Stahl zur Kalibrierung oberhalb von 900° C liegen, zur Vermeidung der "Orangenhaut" besteht andererseits die Möglichkeit, den Innendruck entsprechend zu erhöhen.

Die zweite Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers gemäß der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass in den Bereichen der höchsten Umformgrade eine höhere Temperatur vorgesehen ist, als in den Bereichen geringerer Umformgrade, wobei die Temperatur in den Bereichen höherer Umformgrade und in den Bereichen geringerer Umformgrade so gewählt wird, dass die Geschwindigkeit der Uformung in den einzelnen Bereichen derart ist, dass die Umformung zu nahezu gleicher Zeit in allen Bereichen des Hohlkörpers beendet ist.

Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass Bereiche des Hohlkörpers mit erhöhter Temperatur etwas früher und auch schneller zu fließen beginnen, als Bereiche mit geringerer Temperatur. Geht man nun davon aus, dass in Bereichen hoher Umformgrade das Werkstück mit einer wesentlich höheren Temperatur beaufschlagt ist, als in Bereichen niedrigerer Umformgrade, dann wird bei entsprechendem Innendruck in dem Bereich hoher Umformgrade das Material wesentlich schneller fließen, als im Bereich geringerer Umformgrade, so dass bei entsprechender Wahl der Temperaturen sichergestellt ist, dass sich das Material annäherend zur gleichen Zeit an die Wandung der Werkzeugform anformt. Anschließend kann ebenfalls die Temperatur des Werktstückes insgesamt auf ein höheres Niveau gebracht werden, um einen Kalibriervorgang einzuleiten, und vor allem bei Leichtmetallen den Effekt der "Orangenhaut" durch die Temperaturerhöhung zu vermeiden. Die Temperatur bei den Leichtmetallen sollte dann vorteilhafterweise zwischen 500 und 550° C, bei Stahl oberhalb 900° C liegen.

Auch hier ist wiederum der Gedanke vorherrschend, dass das sich umformende Material unter Zugbeanspruchung steht. Hierbei wird dann die Ausgangswandstärke nicht wesentlich verringert und die unerwünschten Effekte der Faltenbildung vermieden.

Ebenfalls kann der Vorgang der Umformung unter Zugspannung in der Axialrichtung durchgeführt werden, wobei in diesem Falle die Ausgangswandstärke deutlich reduziert wird und dementsprechend vorgehalten werden muss. Allerdings gilt auch hier, dass der Hohlkörper während der Umformung in den einzelnen Umformbereichen gestaucht werden kann. Es ist dann der Grad der Stauchung so zu gestalten, dass die Innendruckkomponente durch das Gas größer ist, als die axiale Druckkomponente, die durch den Stauchvorgang hervorgerufen wird, um Überstülpungen und Faltenbildungen zu vermeiden. Das heißt, es muss eine Restzugsspannungskomponente, hervorgerufen durch die Umformung auf Grund des Innendrucks, vorherrschen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt eine doppelte Werkzeugform, wobei die beiden Seiten der Werkzeugform spiegelbildlich identisch sind, wobei der in der Werkzeugform einliegende Hohlkörper nach der Verformung eine unterschiedliche Dicke über die Länge zeigt;
2 zeigt eine Darstellung gemäß 1, wobei in dieser Werkzeugform ein Hohlkörper mit im Wesentlichen gleicher Wandstärke einliegt.
Die mit 1 bezeichnete Werkzeugform weist Bereiche hoher Umformgrade und Bereiche niedriger Umformgrade auf. Der Bereich mit einem hohen Umformgrad ist durch den Pfeil 2 bezeichnet, und der Bereich mit einem niedrigen Umformgrad mit dem Pfeil 3. Dazwischen liegen Bereiche mit mittleren Umformgraden. Im Bereich des Pfeiles 2, d. h. im Bereich von hohen Umformgraden, ist die Temperatur – markiert durch einige Pfeile – wesentlich höher, als im Bereich 3 mit geringen Umformgraden, wobei der Temperaturgradient in dem Bereich zwischen den Bereichen 2 und 3 mit den entsprechenden Verformungsgraden korrespondiert. Die 1 beschreibt das Verfahren gemäß der ersten Variante, wobei auch hier – ganz ähnlich wie bei der Darstellung gemäß 1 – im Bereich der hohen Umformgrade eine höhere Temperatur zu finden ist, als im Bereich niedriger Umformgrade. Da hier im Wesentlichen nicht mit axialem Druck gearbeitet wird, wird im Bereich der hohen Umformgrade, d. h. im Bereich des Bereiches 2 eine Verminderung der Wandstärke stattfinden. Das heißt, die Wandstärke im Bereich des Pfeiles 2 ist geringer, als im Bereich des Pfeiles 3. Um dennoch eine gleiche Wandstärke über die Länge des Hohlkörpes zu erzielen ist vorgesehen, den Hohlkörper nunmehr axial auf Zug zu beanspruchen, wobei während dieser Zugbeanspruchung die Temperatur im Bereich des Pfeiles 2 wiederum geringer ist, als im Bereich des Pfeiles 3, so dass sich in dem Bereich des Pfeiles 3 das Material längt und so auf eine Wandstärke gemäß dem Bereich 2 eingestellt werden kann. Auch hier ist wesentlich, dass zur Vermeidung von Faltenbildung der Hohlkörper insgesamt während der Verformung im Prinzip immer unter Zugbeanspruchung steht.
Um mit dieser Temperaturverteilung bei einem entsprechenden Innendruck nunmehr nach der zweiten Ausführungsform zu verhindern, dass sich Falten bilden, wird lediglich so viel Material durch axialen Druck in den Bereich der größten Umformgrade so nachgeschoben, dass stets eine "Blase" mit sanftem Übergang gebildet wird. Zu dem Zeitpunkt der Umformung des Bereichs höherer Umformgrade wird der Axialdruck solange, jedoch abnehmend mit zunehmender Verformung, aufrechterhalten, bis durch die Verformung aus den Nachbarbereichen mit geringen Umformgraden der Hohlkörper unter Zug beansprucht steht (Ausführungsform 2). Im Ergebnis ist nun ein Hohlkörper zu erzielen mit der der Werkzeugform entsprechenden Kontur, wobei die Wandstärke im Wesentlichen über die gesamte Länge des Hohlkörpers gleich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers mit sich in Längsrichtung ändernder Querschnittsform in einer der gewünschten Endkontur ausgebildeten Werkzeugform, wobei ein rohrförmiger Hohlkörper mit nahezu gleicher Ausgangswandstärke mit Innendruck beaufschlagt wird, wobei in den Bereichen der höchsten Umformgrade der rohrförmige Hohlkörper die höchste Temperatur aufweist, wobei nach Anlage des Hohlkörpers an die Wandung der Werkzeugform die Temperatur dort vermindert wird, wobei nachfolgend in den Nachbarbereichen niedrigerer Umformgrade die Temperatur dort am höchsten ist, bis wiederum der Hohlkörper in diesem Bereich an der Wandung der Form anliegt.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Matallkörpers mit sich in Längsrichtung ändernder Querschnittsform in einer der gewünschten Endkontur ausgebildeten Werkzeugform, wobei ein rohrförmiger Hohlkörper mit nahezu gleicher Ausgangswandstärke mit Innendruck beaufschlagt wird, wobei in den Bereichen der höchsten Umformgrade eine höhere Temperatur vorgesehen ist, als in den Bereichen geringerer Umformgrade, wobei die Temperatur in den Bereichen höherer Umformgrade und in den Bereichen geringerer Umformgrade so gewählt wird, dass die Geschwindigkeit der Umformung in den einzelnen Bereichen derart ist, dass die Umformung in nahezu gleicher Zeit in allen Bereichen des Hohlkörpers beendet ist.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer annähernd gleichen Wandstärke während der Verformung von Bereichen geringer Umformgrade über die Länge des Hohlkörpers unter Innendruck des Hohlkörpers, der Hohlkörper axial auf Zug beansprucht wird.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper während der Umformphase gestaucht wird, wobei die durch den Innendruck erzeugte Kraftkomponente des Materials in axialer Richtung größer ist, als die axiale Druckkomponente durch den Stauchvorgang.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper während der Umformung im Bereich der höchsten Umformgrade gestaucht wird, um Material nachzuführen.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper während der Umformgrade durch stufenweise Erhöhung des Innendrucks in die gewünschte Endkontur geformt wird.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Hohlkörpers während der Umformung so kalt bleiben, dass unabhängig von der Erhöhung des Innendruckes oder der Temperatur in den umzuformenden Bereichen, diese nicht verformt werden und axial frei in der Werkzeugform beweglich sind, um den Materialfluss durch die in den Umformbereichen auftretenden Zugspannungen zu ermöglichen.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper zum Entformen von innen abgekühlt wird, um ihn leichter aus der Form entnehmen zu können.
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch Gase oder Flüssigkeiten, die in den Hohlkörper eingeleitet werden stattfindet, vorteilhafterweise durch Einspritzen vom flüssigen Stickstoff.