DE10343430B3

DE10343430B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen der Wandungsstärke bei Hohlprofilen

Info

Publication number: DE10343430B3
Application number: DE2003143430
Authority: DE
Inventors: Hans-Günther Prof. Dr. Haldenwanger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2023-09-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke (15, 16, 23) an einem Hohlprofil (1, 17), welches hierfür in eine Hohlmatrize eingelegt (2), mittels Axialkolben (3, 22) einer axialen Schubkraft F¶A¶ und mittels eines unter hohen Druck setzbaren Fluids (10) einem Radialdruck ausgesetzt und dabei plastisch verformt wird. Um letztlich ein umgeformtes Hohlprofil (1, 17) zu erhalten, welches unveränderte Außenabmessungen und über einen bereichsweise reduzierten Innenquerschnitt eine Wandstärkenerhöhung aufweist, wird über in der Hohlmatrize (2) angeordnete Fluidleitungen (8, 9) auf die Mantelfläche des Hohlprofils (1, 17) der Fluiddruck radial nach innen gerichtet ausgeübt, während über eine geeignete stirnseitige Formgebung der Axialkolben (3, 22) innerhalb des Hohlprofils (1, 17) ein ringförmiger Zwischenraum (14, 24) gebildet wird, in den das sich deformierende Hohlprofil (1, 17) hinein verdrängt werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke an einem Hohlprofil gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Die Vorgehensweise, Hohlprofile mittels Einleiten von Axialkräften und gleichzeitig ausgeübtem Radialdruck mittels Fluid zu verformen, ist durch das seit etlichen Jahren in der Anwendung befindliche – Innenhochdruckumformen – bekannt (vgl. DE 29 35 086 A1 , EP 0 484 789 B1 ). Eine Erhöhung der Wandstärke beim umgeformten Hohlprofil ist damit nicht verbunden, vielmehr ergibt sich aufgrund der Materialstreckung eine Verminderung der verbleibenden Wandstärke.

Aus der US 5 203 194 A ist ein Verfahren zum Anstauchen von Profilenden durch plastische Verformung mittels abgesetztem Axialkolben bekannt. Die Einleitung zusätzlichen Radialdruckes mittels eines Fluids ist dabei nicht vorgesehen.

Eine gattungsgemäße Verfahrensweise ist in der DE 44 37 395 A1 beschrieben worden. Dieses Dokument zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke an einem Hohlprofil auf, welches hierfür von einer mittels Axialkolben eingeleiteten Axialkraft beaufschlagt und weiter mittels eines unter hohen Druck setzbaren Fluids einem Radialdruck ausgesetzt und plastisch verformt wird. Dabei ist das Hohlprofil in eine profilierte, die Endabmessungen des Hohlprofiles aufweisende Matrize eingelegt. Die Fluidzufuhr und Beaufschlagung im Bereich der zu erhöhenden Wandungsstärke geschieht über axiale bzw. radiale Bohrungen im Axialkolben. Die Wanddickenerhöhung erfolgt an lediglich einem Endbereich oder an beiden Endbereichen des Hohlprofiles.

Die auf der vorgenannten Schutzrechtsanmeldung aufbauende DE 196 14 656 A1 beschreibt eine ähnliche Vorgehensweise zum Erhöhen der Wandungsstärke bei Hohlprofilen. Zielsetzung dieses Dokumentes ist es allerdings, dass die Erhöhung der Wandstärke in mindestens einem zwischen den Profilenden gelegenen Bereich erfolgt. Eines der dort gezeigten Ausführungsbeispiele (3) erlaubt es sogar, nicht nur zwischen den Profilenden, sondern auch an den Profilenden selbst eine Wanddickenerhöhung zu erzielen.

Ausgehend von der gattungsgemäßen Verfahrensweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist es die Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke an einem Hohlprofil so weiterzubilden, das weitere Varianten in der Hohlprofilgestaltung möglich werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine zur Durchführung des Verfahrens vorteilhaft einsetzbare Vorrichtung bereit zu stellen.

Die verfahrensbezogene, erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 zu sehen. Patentanspruch 2 beansprucht eine zur Verfahrensdurchführung besonders geeignete Vorrichtung.

Während nämlich sowohl bei der DE 44 37 395 A1 als auch bei der DE 196 14 656 A1 eine Wandstärkenerhöhung dahingehend angestrebt wird, dass der Hohlprofil-Innenquerschnitt konstant bleibt, während die Hohlprofil-Aussenabmessungen im Bereich der Wandstärkenerhöhung eine Zunahme erfahren haben, werden mit der vorliegenden Erfindung gleichbleibende Außenabmessungen und ein im Bereich der Wandstärkenerhöhung reduzierter Innenquerschnitt angestrebt und erreicht.

Eine partielle Wandstärkenerhöhung bei gleichzeitiger Reduzierung des Innendurchmessers einer Hohlwelle ist zwar auch bereits gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle nach der DE 100 49 047 C2 möglich. Dabei wird ein Stempel eines Werkzeuges unter hohem Druck axial bei gleichzeitigem Wirken eines Druckmediums in die Hohlwelle bewegt. Dabei staucht sich das Material der Hohlwelle derart, dass ein eingeschobenes Element vom Material der Hohlwelle soweit eingeschlossen wird, dass sich die besagte Innendurchmesser-Reduzierung ergibt.

Auch in der DE 198 51 492 A1 ist zwar ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteiles mittels Innenhochdruck-Umformen beschrieben, bei dem sich letztlich ein Bauteil mit partiell unterschiedlicher Wandstärke ergibt, die aus unterschiedlichen Innenabmessungen des Bauteiles resultiert. Die Abstufung der Wanddicke wird durch Übereinanderschieben von Rohrabschnitten erreicht. Beim IHU-Umformprozess wird der Außendurchmesser des inneren Rohres auf das Maß des Außenrohres gebracht, so dass beide Teile durch die Formgebung miteinander verbunden werden. Letztendlich erzeugen also die äußeren Rohrabschnitte die Aufdickung.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 Eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit eingelegtem und zu verformendem Hohlprofil mit einem Axialkolben in einer Ausgangs- bzw. einer Endstellung und
2 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der ein mittiger Stützdorn die Kontur des Formhohlraumes wesentlich mitbestimmt.
Gemäß 1 ist ein Hohlprofil 1, beispielsweise ein Stahlrohr zur Herstellung einer „gebauten" Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, in eine Hohlmatrize 2 eingelegt, wobei das Hohlprofil 1 beidseitig von jeweils einem abgesetzten Axialkolben 3 aufgenommen ist und durch konzentrische Durchbrüche 4 der Axialkolben 3 ein gemeinsamer Stützdorn 5 verläuft. Aufgrund der konzentrischen Anordnung von Hohlprofil 1, Axialkolben 3 und Stützdorn 5 ergibt sich eine gemeinsame Längsachse 6. Eine Ausnehmung 7 der Hohlmatrize 2 ist so dimensioniert und auf die Außenabmessungen des Hohlprofils 1 abgestimmt, dass dieses nahezu spielfrei eingesetzt werden kann. In geringem radialen Abstand zur Ausnehmung 7 sind über den Umfang derselben verteilt eine Reihe axial verlaufender Bohrungen 8 angeordnet, wobei von jeder dieser Bohrungen 8 wiederum eine größere Anzahl radial gerichteter und bis zur Ausnehmung 7 reichender Bohrungen 9 ausgeht. Sie dienen der Durchleitung eines unter hohen Druck p_ü setzbaren Fluids 10, beispielsweise Wasser, vorzugsweise mit synthetischen Zusätzen, wobei dieses Fluid 10 dann das in der Ausnehmung 7 angeordnete Hohlprofil 1 gezielt beaufschlagen kann.
Entsprechend der gewünschten Kontur der nach innen gerichteten Wandstärkenerhöhung des Hohlprofiles 1 weist jeder Axialkolben 3 in seinem vorderen Bereich eine entsprechende Formgebung auf und besitzt daher zwei radial einwärts gerichtete Stufensprünge 11, 12, so dass also die vordere Kontur eines jeden Axialkolbens 3 zusammen mit dem Stützdorn 5 einen ringförmigen Zwischenraum 14 bilden, in den das Material des Hohlprofiles 1 beim Umformprozess hineinverdrängt werden kann. Die Anlageflächen der Axialkolben 3 an den beiden Stirnflächen des Hohlprofiles 1, über die ja auch die axialen Schubkräfte F_A übertragen werden, sind als Dichtschultern 13 ausgebildet, die geringfügig (z. B. 15°) abgeschrägt sein können.
Zum Umformen des Hohlprofiles 1 wird nun folgendermaßen vorgegangen. Dabei ist zu beachten, dass in 1 oberhalb der Längsachse 6 Hohlprofil 1 und Vorrichtung in Ausgangsstellung gezeigt sind, während unterhalb der Längsachse 6 die Vorrichtung in der Endstellung und das bereits umgeformte Hohlprofil 1 dargestellt sind.
Die beiden Axialkolben 3 belasten synchron nach ihrer stirnseitigen Anlage an das Hohlprofil 1 dieses zunächst mit einer axialen Schubkraft F_A. Während des dabei einsetzenden Stauchens des Hohlprofiles 1 wird über die axialen und radialen Bohrungen 8, 9 die Mantelfläche des Hohlprofiles 1 mit dem unter hohem Druck stehenden Fluid 10 beaufschlagt. Die zu wählende axiale Schubkraft F_A wie auch die Höhe des Fluid-Druckes und schließlich auch das Zusammenspiel dieser beiden Parameter wird von Fall zu Fall versuchstechnisch zu ermitteln sein und im Wesentlichen vom Umformgrad (Wandstärkenerhöhung) des Hohlprofiles, vom Werkstoff desselben und auch von der Ausgangswandstärke abhängig zu machen sein. Die beiden bereits genannten Patentanmeldungen DE 44 37 395 A1 und DE 196 14 656 A1 der Anmelderin beinhalten gewisse, für das erfindungsgemäße Verfahren verwertbare Richtwerte. Jedenfalls erfolgt das plastische Umformen des Hohlprofiles 1 bis zum vollständigen Ausfüllen des ringförmigen Zwischenraumes 14. Der wandverstärkte Bereich des Hohlprofiles 1 (siehe unterer Teil von 1) besitzt im Ergebnis einen unveränderten Außenquerschnitt, einen Bereich 15 stark erhöhter Wandungsstärke, wobei das Hohlprofil 1 bis zum mittigen Stützdorn 5 reicht, und zwei benachbarte Bereiche 16 mit nur relativ geringfügig erhöhter Wandungsstärke.
Nach Abschluss des Umformprozesses, Rückführen des Fluids und Öffnen des Umformwerkzeuges kann das umgeformte Hohlprofil 1 entnommen und anschließend bedarfsweise weiterbearbeitet (anderweitig umgeformt, spanend bearbeitet mit anderen Bauteilen verbunden usw.) werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also mittels eines Stauchvorganges eine bereichsweise Wandverstärkung erreicht. Dabei findet im Stauchbereich unter der Wirkung der radialen Belastung durch das Fluid 10 auch eine tangentiale Belastung der Hohlprofilwand und zugleich eine axiale Druckbelastung durch die Schubkraft F_A der Axialkolben 3 statt. Die daraus resultierende, mehrdimensionale Belastung übersteigt definiert den elastischen Verformungswiderstand und führt zur gewünschten plastischen Verformung.
2 zeigt eine leicht abgewandelte Ausführungsform des Werkzeuges zur Herstellung einer Wandstärkenerhöhung 23 in einem mittleren Bereich des Hohlprofiles 17. Da hier bezüglich Vorrichtungsaufbau und Verfahrensablauf im Wesentlichen auf die vorstehenden Ausführungen zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 zurückgegriffen werden kann, wird auf die Darstellung des Werkzeuges und des Hohlprofiles 17 in der Ausgangsstellung verzichtet. Vielmehr ist nur die in Anlehnung an 1 unterhalb der Längsachse 6 vorzufindende Endstellung der Vorrichtung bzw. das bereits umgeformte Hohlprofil 17 gezeigt. Der markante Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegt darin, dass der Stützdorn 18 nunmehr mit einem Bund 19 mit beidseitigen Anlageschultern 20 versehen ist, an die die jeweilige vordere Stirnfläche eines jeden, wiederum abgesetzten (Stufensprung 21) Axialkolbens 22 zur Anlage bringbar ist. Letztendlich bestimmen also Stufensprünge sowohl beim zentrischen Stützdorn 18 als auch bei den Axialkolben 22 die Kontur eines ringförmigen Zwischenraumes 24 bzw. die Kontur der Wandstärkenerhöhung 23 des Hohlprofiles 17.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise zum Herstellen eines oder mehrerer Bereiche erhöhter Wandungsstärke kann entlang der Längserstreckung des Hohlprofiles 1, 17 selbstverständlich an beliebiger Stelle angewendet werden, das heißt also sowohl zwischen den beiden Endabschnitten, als auch nach entsprechender verfahrensgemäßer und vorrichtungsgemäßer Anpassung an einem oder an beiden Endabschnitten selbst.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke an einem Hohlprofil, welches hierfür mittels Axialkolben einer axialen Schubkraft und mittels eines unter hohen Druck setzbaren Fluid einem Radialdruck ausgesetzt und dabei plastisch verformt wird, wobei das Hohlprofil in eine den Profilaußenmaßen entsprechende Ausnehmung einer Holmatrize eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (10) über in der Hohlmatrize (2) angeordnete Zuleitungen (8, 9), radial nach innen gerichtet auf die Mantelfläche des Hohlprofils (1, 17) wirkt und dass durch entsprechende Formgebung der Axialkolben (3) bei deren Bewegung in ihre Endstellung innerhalb des Hohlprofils (1, 17) ein ringförmiger Zwischenraum (14) gebildet wird, in den das sich plastisch verformende Hohlprofil (1, 17) hinein verdrängt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, bestehend aus einer das Hohlprofil aufnehmenden Hohlmatrize, zwei jeweils stirnseitig das Hohlprofil aufnehmende Axialkolben und weiter bestehend aus Zuleitungen für ein unter hohen Druck setzbares und das Hohlprofil beaufschlagendes Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen (8, 9) für das Fluid (10) zum Beaufschlagen der Hohlprofilmantelfläche in der Hohlmatrize (2) angeordnet sind und dass die Axialkolben (3, 22) radial einwärts gerichtete Stufensprünge (11, 12, 21) aufweisen, die, zusammen mit einem die Axialkolben (3, 22) führenden Stützdorn (5, 18), einen innerhalb des Hohlprofiles (1, 17) befindlichen ringförmigen Zwischenraum (14, 24) bilden.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in geringem radialen Abstand zu einer das Hohlprofil (1, 17) aufnehmenden Ausnehmung (7) in der Hohlmatrize (2) über den Umfang derselben verteilt, eine Reihe axial verlaufender Bohrungen (8) angeordnet sind, wobei von jeder dieser Bohrungen (8) eine größere Anzahl radial gerichteter und bis zur Ausnehmung (7) reichender Bohrungen (9) zur Durchleitung des Fluids (10) ausgehen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützdorn (18) ebenfalls mindestens einen Stufensprung (21) zur Bildung des innerhalb des Hohlprofiles (17) angeordneten ringförmigen Zwischenraumes (24) aufweist.