DE19735434C1 - Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers aus zwei aufeinandergelegten Metallplatinen mittels Innenhochdruckumformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus zwei aufeinandergelegten Metallplatinen mittels Innenhochdruckumformen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 und eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 5 zur Durchführung des Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrich­ tung ist aus der DE 195 35 870 A1 bekannt. Darin werden zwei Blechplatinen aufeinandergelegt in ein zweigeteiltes Innenhoch­ druck-Umformwerkzeug eingelegt und beim Schließen des Werkzeu­ ges durch die Schließkraft eingespannt. Nach Einleiten eines Druckfluides zwischen die Platinen unter Innenhochdruck bspw. durch Einpressen eines Fluidzuführdornes in den Trennspalt der beiden Platinen weiten sich diese in die Gravur des Umformwerk­ zeuges auf. Nach der Aufweitung wird das Druckfluid entspannt und ein Fügevorgang zwischen beiden Platinen ausgeführt. Der Fügevorgang erfolgt durch Laserschweißen, wobei die Schweißung bei geschlossenem Umformwerkzeug durch dessen Trennfuge von au­ ßen axial auf den Trennspalt der Platinen gerichtet abläuft. Alternativ kann die Schweißung durch einen unter einem bestimm­ ten Strahlwinkel auf die obere Platine gerichteten Laserstrahl erfolgen, wobei das Oberwerkzeug des Umformwerkzeuges dazu eine entsprechende Aussparung aufweist, um die Beaufschlagung des Strahles zuzulassen. Hierbei kommt es zu einer Durchschweißung der oberen Platine und zu einer Eindringung der Schweißenergie in die untere Platine. Eine weitere Variante stellt die Laser­ schweißung bei geöffnetem Umformwerkzeug dar, bei der dessen Oberwerkzeug in mehrere Einzelteile gegliedert ist, wobei ein Mittelteil aus der Schließposition des Umformwerkzeuges voll­ ständig herausgefahren wird, um einer mobilen Laserschweißein­ richtung einen ungehinderten Zugang zu den an die Gravur gren­ zenden Bereichen der Platinen zu verschaffen. Dabei wird eine Schweißung hohlraumnah ermöglicht. Bei letzterer Variante ist nachteilig, daß zum Fügen mittels Laserschweißung neben dem ap­ parativen Aufwand werkzeugsteuerungstechnischer Aufwand sowohl für die Laserschweißeinrichtung als auch für das Mittelteil des Umformwerkzeuges erforderlich ist und zu dessen Entfernung nach oben hin ein erheblicher Verfahrraum vorhanden sein muß. Des weiteren kosten die werkzeugtechnischen Arbeitsschritte Prozeß­ zeit, was die Wirtschaftlichkeit des bekannten Verfahrens nach der genannten Variante verringert. Bei den ersten beiden Vari­ anten ist nachteilig, daß im dort geschlossenen Werkzeug die sogenannten Flanschbereiche, also die die Werkzeuggravur umge­ benden Bereiche der Platinen nur an weit außen liegender Stelle verschweißt werden können. Die damit erzeugbaren Hohlkörper sind aufgrund der ausladenden Flanschbildung bei engen Bauräu­ men nicht einsetzbar. Weiterhin können Hohlkörper mit schmalem Fügerand mittels des bekannten Verfahrens nach diesen Varianten nicht hergestellt werden, da bei diesen ein nachträglicher Be­ schnitt des aufgeweiteten Platinenverbundes bei Beibehaltung eines stabilen Hohlkörpers nur zwischen dem Rand der Platinen und der relativ weit von der Gravur abliegenden Schweißstelle ausgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend wei­ terzubilden, daß in einfacher Weise bei geschlossenem Umform­ werkzeug aus aufeinanderliegenden Metallplatinen Hohlkörper mit schmalem Fügerand prozeßsicher hergestellt werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruches 5 hinsichtlich der Einrichtung gelöst.

Aufgrund des Fügevorganges zwischen den beiden Platinen durch Widerstandsschweißen und der einfachen Unterbringung der Schweißelektroden innerhalb Aussparungen, die äußerst gravurnah in den Stirnseiten der Umformwerkzeughälften eingebracht werden können, ist es möglich sehr schmale Fügeränder zwischen den Platinen zu erzeugen. Die Schweißelektroden erhalten durch die Schließkraft des umgebenden Umformwerkzeuges die erforderliche Anpreßkraft zum Schweißen. Infolge des bündigen Abschlusses ih­ rer Kontaktseite mit der Stirnseite der jeweiligen Umformwerk­ zeughälfte ist die Dichtigkeit in Bezug auf den fluidischen Aufweitvorgang gewährleistet, so daß die Prozeßsicherheit ge­ wahrt bleibt. Der apparative Aufwand ist relativ gering, da aufwendige Bewegungssteuerungen wie beim Laserschweißen zur Steuerung des Lasers und ggf. eines Umformwerkzeugteils auf­ grund der stationären Anordnung nicht anfallen. Die Schweiße­ lektroden bedürfen lediglich einer geeigneten Stromversorgung. Die Elektroden sind relativ preiswert und bei Verschleiß leicht auszutauschen. Schließlich kann die Schweißung bei geschlosse­ nem Umformwerkzeug ausgeführt werden, wodurch Prozeßzeit einge­ spart, insbesondere dann, wenn nach der Schweißung eine neuer­ liche Innenhochdruckumformung vonstatten gehen soll. Nach der Entnahme des aufgeweiteten und verschweißten Platinenverbundes kann dieser - von der Höhlung des Verbundes aus gesehen - un­ mittelbar hinter der Schweißstelle beschnitten werden, so daß aus dem Verbund ein Hohlkörper mit sehr schmalem Fügerand aus­ gebildet wird. Ein Beschnitt ist jedoch dann nicht erforder­ lich, wenn von vornherein die Abmessungen der Platinen so ge­ wählt werden, daß die Platinenränder nach Ende des Umformver­ fahrens an der Stelle des beim Beschnitt gebildeten Fügerandes liegen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörpers,

Fig. 2 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung im Schließzustand des Umformwerkzeuges bei eingebrachten Platinen unter Atmosphärendruck vor dem Aufweitvorgang und

Fig. 3 einen Querschnitt der Einrichtung aus Fig. 2 unter In­ nenhochdruck stehend mit abgeschlossenem Aufweitvorgang,

Fig. 4 einen Querschnitt der Einrichtung aus Fig. 2 nach Ver­ schweißung der Platinen bei der Entnahme des unter Atmosphären­ druck stehenden aufgeweiteten Platinenverbundes aus dem geöff­ neten Umformwerkzeug.

In Fig. 1 ist ein Hohlkörper 1 dargestellt, der als rohrförmi­ ges Hohlprofil ausgebildet ist. Der Hohlkörper 1 besteht aus einer oberen und einer unteren Halbschale 2 und 3, die jeweils einen entlang ihrer einander zugewandten Enden 4 und 5 durch­ gängig verlaufenden, radial abstehenden Flansch 6 und 7 in Form einer schmalen Leiste aufweisen. Die aneinander stoßenden Enden 4 und 5 sind derart aufeinander ausgerichtet, daß die Halbscha­ len 2 und 3 dort innenseitig unter Bildung eines kreiszylindri­ schen Querschnitts bündig miteinander abschließen. Die Fügelei­ sten beider Halbschalen 2 und 3 liegen deckungsgleich aufeinan­ der und sind miteinander durch mehrere Punktschweißungen 30, die quer zum zwischen den beiden Leisten ausgebildeten Füge­ spalt 8 verlaufen, mittels Widerstandsschweißen verbunden, wo­ mit die beiden Halbschalen 2 und 3 fest miteinander verbunden sind. Anstelle der Punktschweißungen 30 ist in Anbetracht des später erläuterten Herstellungsverfahrens auch eine Längsnaht­ schweißung entlang der Leisten quer zu deren Fügespalt 8 denk­ bar. Des weiteren ist im Rahmen der Erfindung denkbar, daß die Flansche 6 und 7 aus mehreren einzelnen voneinander beabstande­ ten in einer Reihe liegenden Blechlappen bestehen, die in glei­ cher Weise wie oben genannt miteinander verschweißt sind.

Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Hohlkörpers 1 werden zwei Metallblechplatinen 9 und 10 aufeinandergelegt und gemein­ sam in ein zweigeteiltes Innenhochdruckumformwerkzeug 11, das aus einem Oberwerkzeug 12 und einem Unterwerkzeug 13 besteht (Fig. 2), eingelegt. Die Platinen 9 und 10 können je nach Be­ darf und für den jeweiligen bestimmten Anwendungszweck maßge­ schneidert eine unterschiedliche Dicke aufweisen und/oder aus einem unterschiedlichen metallischen schweißbaren Werkstoff be­ stehen. Das Umformwerkzeug 11 weist eine Gravur 14 in Form ei­ ner - anders als zur Ausbildung des Hohlkörpers 1 nach Fig. 1 - ober- und unterseitig abgeflachten rohrförmigen Ausbauchung auf, deren Verlauf im randseitigen Bereich 15 nahe der Tei­ lungsebene 16 des Umformwerkzeuges 11 mit großem Radius ausge­ bildet ist, damit beim Aufweiten der Platinen 9 und 10 nicht abrupt hohe Umformgrade, die zur Mitte der Gravur 14 ansteigen, bis zur Anlage an die Gravur 14 aufzubringen sind. Durch diese Ausbildung wird somit die Prozeßsicherheit hinsichtlich eines etwaigen Berstens erhöht.

Im Anschluß an den randseitigen Bereich 15 der Gravur 14 ist - von der Teilungsebene 16 ausgehend - in die einander zugewand­ ten Stirnseiten 17 und 18 des Ober- und des Unterwerkzeuges 12 und 13 jeweils eine Aussparung 19, also insgesamt vier Ausspa­ rungen, eingearbeitet, die längs des randseitigen Bereiches 15 der Gravur 14 durchgängig verlaufen. In jeder Aussparung 19 ist eine deren Verlauf folgende stabförmige Widerstandsschweißelek­ trode 20 eingelassen, die von einer elektrischen Isolation 21 umgeben ist und mit der Isolation 21 die Aussparung gänzlich ausfüllt, und mit geeigneten Mitteln am Umformwerkzeug 11 lös­ bar befestigt. Die Elektrode 20 ist von der Isolation 21 an der mit der Stirnseite 17 bzw. 18 des Ober- und Unterwerkzeuges 12 und 13 bündig abschließenden Kontaktfläche 22 nicht abgedeckt, so daß das Umformwerkzeug 11 gegenüber der Elektrode 20 elek­ trisch isoliert ist, welche jedoch mit der Kontaktfläche 22 di­ rekt an den Platinen 9 und 10 anliegt. Die an eine Stromversor­ gung angeschlossene Elektrode 20 ist in zwei Arten, einer Elek­ trode 20a mit positiver Polung und einer Elektrode 20b mit ne­ gativer Polung, aufgeteilt. Die Elektrode 20a ist beispielswei­ se in die Aussparung 19 des Oberwerkzeuges 12 integriert und liegt an der Platine 9 an, während die Elektrode 20b in der Aussparung 19 des Unterwerkzeuges 13 integriert der Elektrode 20a gegenüberliegt und an der Platine 10 anliegt. Neben jedem randseitigen Bereich 15 der Gravur 14 ist ein Paar dieser ge­ gensätzlich gepolten Elektroden 20a, 20b angeordnet, wobei die beiden Paare zueinander alternierend gepolt sein können. Je nach Form des herzustellenden Hohlkörpers 1 kann nur ein einzi­ ges Elektrodenpaar vorgesehen sein, wobei dies gemäß der zu er­ zeugenden Kontur des Hohlkörpers 1 in seinem Verlauf ausgebil­ det und die Gravur 14 - mit Ausnahme des Druckfluidzuführungs­ bereiches 23 - durchgängig umlaufend angeordnet sein kann. Es ist auch denkbar, entlang der randseitigen Bereiche 15 der Gra­ vur anstatt einer Stabelektrode 20 oder einer Elektrode, deren Verlaufsform an die in der Teilungsebene 16 liegenden Kontur der Gravur 14 angepaßt ist, mehrere einzelne Elektroden seriell anzuordnen, die kabelartig das Umformwerkzeug 11 durchziehen. Durch diese Anordnung, die bei der Herstellung des Hohlkörpers 1 nach Fig. 1 zum Einsatz kommt, ist eine Punktverschweißung der Platinen 9 und 10 möglich. Diese kann bei Hohlkörpern 1 zur Anwendung kommen, bei denen keine Ansprüche an hohe Dichtigkeit hinsichtlich Gasen und Flüssigkeiten gestellt werden.

Der Druckfluidzuführungsbereich 23 ist in diesem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 2 koaxial zur Gravurlängsachse der Gravur 14 gelegen. Es können alternativ auch mehrere Druckfluidzufüh­ rungsbereiche 23 vorgesehen sein, die parallel zueinander ver­ setzt und in der Teilungsebene 16 des Umformwerkzeuges 11 gele­ gen angeordnet sind. Einem jeden Zuführungsbereich 23 ist eine Druckeinleitungsvorrichtung zugeordnet, die in Form eines Stem­ pels ausgebildet ist, der stirnseitig einen Dorn trägt, der beim Andocken des Stempels an das Umformwerkzeug 11 in den Tei­ lungsspalt 24 zwischen den beiden Platinen 9 und 10 hineinge­ rammt wird. Der Stempel schließt im übrigen mit der umgebenden einspannenden Umformwerkzeug 11 fluidhochdruckdicht ab. Durch den Stempel führt ein Druckfluidkanal, der an der Dornspitze ausmündet und der rückseitig an eine Fluidhochdruckerzeugungs­ anlage angeschlossen ist.

Das Umformwerkzeug 11 wird gemäß Fig. 2 geschlossen, wonach die beiden Platinen 9 und 10 die Gravur 14 derart durchragen, daß diese in zwei gleich große Aufweiträume, einen oberen 25 und einen unteren 26, symmetrisch geteilt ist. Die Ausbildung von gleich großen Aufweiträumen durch entsprechende Gestaltung der Gravur 14 ist nicht unbedingt notwendig. Jedoch sollte bei un­ gleich großen Aufweiträumen die Platine, die den größeren und gleichzeitig großflächigeren von beiden Aufweiträumen unmittel­ bar abdeckt, in ihren Abmessungen deutlich größer sein als die den kleineren Aufweitraum unmittelbar abdeckende Platine. Dabei fließt während des Aufweitvorganges in beide Aufweiträume un­ terschiedlich viel Platinenmaterial hinein. Hierzu wird die Schließkraft des Umformwerkzeuges 11 entsprechend gesteuert, um das Fließen des Platinenmaterials in geeigneter Weise zuzulas­ sen.

Danach wird die Druckeinleitungsvorrichtung an den Platinen 9 und 10, wie oben beschrieben, angedockt und das Druckfluid zwi­ schen diese gepreßt. Die beiden Platinen 9 und 10 bauchen sich dabei fluiddruckbeaufschlagt aus und legen sich an die Gravur 14 des Umformwerkzeuges 11 an (Fig. 3). Beim Aufweitvorgang wird das in der Einspannung zwischen den Stirnseiten 17 und 18 der Umformwerkzeughälften 12 und 13 befindliche Platinenmateri­ al nachgezogen, wodurch sich die Platinen 9 und 10 in ihrer Breitenerstreckung verkürzen. Hierbei kommen die Abschlußkanten 27 der Platinen 9 und 10 sehr nahe des Bereiches der Schweiße­ lektroden 20 zu liegen und stehen bezüglich deren Lage nach au­ ßen hin um nur ein Geringes über.

Nach Abschluß des Umformprozesses erfolgt dann bei geschlosse­ nem Umformwerkzeug 11 die Widerstandsschweißung mittels der Elektroden 20. Dabei wird die erforderliche Anpreßkraft an den Platinen 9 und 10 in vorteilhafter Weise durch die zur Einspan­ nung der Platinen 9 und 10 notwendige Niederhalterkraft des Um­ formwerkzeuges 11 geliefert. Die Schweißung kann bei Innenhoch­ druck oder auch bei Atmosphärendruck erfolgen. Die Schweißung ergibt je nach Ausbildung der Elektroden 20 einzelne Schweiß­ punkte oder wie im Ausführungsbeispiel 2-4 eine Längsnaht 29.

Nachdem das Druckfluid entspannt und aus dem zu einem Hohlkör­ per 1 aufgeweiteten Platinenverbund herausgeleitet ist, wird gemäß Fig. 4 das Umformwerkzeug geöffnet, wonach der Hohlkörper 1 entnommen werden kann. Dieser ist hier schon wunschgemäß mit einem schmalen Fügerand 28 ausgebildet und somit für weitere Zwecke verbaubar. Der Hohlkörper 1 weist durch die im randsei­ tigen Bereich 15 der Gravur 14 vorgesehenen großen Radien des Umformwerkzeuges 11 eine Seitenkontur im Querschnitt in Form des mathematischen Symbols der geschweiften Klammer auf. Es kann auch sein, daß die Abschlußkanten 27 der Platinen 9 und 10 weit über die Lage der Elektroden 20 nach außen überstehen, so daß zum Erhalt des bedarfsgerecht ausgebildeten Hohlkörpers 1 ein nachträglicher Beschnitt des aufgeweiteten Platinenverbun­ des vonnöten ist.

Die Herstellung des Hohlkörpers 1 kann auch derart erfolgen, daß die beiden Platinen schon vor dem fluidischen Aufweitvor­ gang verschweißt werden. Dadurch wird zwar die Relativlage der beiden Platinen 9 und 10 zueinander fixiert, jedoch hindert diese Fixierung ein leichtes Nachfließen des Platinenmaterials, das vor allem bei höheren Umformgraden im Aufweitbereich der Platinen für die Gewährleistung eine hohen Prozeßsicherheit von großer Wichtigkeit ist. Es ist auch denkbar, nach einem Auf­ weitvorgang, bei dem unter einem geringeren Hochdruck die Pla­ tinen in eine der Endform des Hohlkörpers 1 angenäherte Grob­ form aufgeweitet werden, und nach dem anschließenden Verschwei­ ßen, das dann eine Lagefixierung der Platinen erbringt, die Ka­ librierung des Platinenverbundes erfolgt, bei der sich die Pla­ tinen in einem zweiten Aufweitvorgang unter einem höheren Fluidhochdruck endlich an die Gravurkontur anschmiegen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers (1) aus zwei aufeinandergelegten Metallplatinen (9, 10) mittels Innenhoch­ druckumformen, welche gemeinsam in ein geteiltes Innenhoch­ druck-Umformwerkzeug (11) eingebracht und durch Schließen des Umformwerkzeuges (11) eingespannt werden, wobei die Metallpla­ tinen (9, 10) bei geschlossenem Innenhochdruck-Umformwerkzeug (11) außerhalb dessen Gravur (14) miteinander verschweißt wer­ den und wobei die Metallplatinen (9, 10) mittels eines unter Hochdruck stehenden und zwischen die beiden Metallplatinen (9, 10) eingeleiteten Druckfluides zu einem Hohlkörper (1) auf­ geweitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallplatinen (9, 10) unmittelbar neben einem randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) durch in der Tei­ lungsebene (16) des Umformwerkzeuges (11) erfolgendes Wider­ standsschweißen miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallplatinen (9, 10) zuerst zu einem Hohlkör­ per (1) aufgeweitet werden und danach miteinander verschweißt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallplatinen (9, 10) unmittelbar neben dem randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) durch Punktschweißen verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallplatinen (9, 10) unmittelbar neben dem randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) durchgängig ver­ schweißt werden.

5. Einrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers (1) aus zwei aufeinandergelegten Metallplatinen (9, 10), mit einem geteilten Innenhochdruck-Umformwerkzeug (11), zwischen dessen Werkzeug­ teilen (12, 13) in der Teilungsebene (16) die beiden Metallpla­ tinen (9, 10) zusammen einbringbar und durch Schließen des Um­ formwerkzeuges (11) einspannbar sind, mit einer Schweißvorrich­ tung zum Verschweißen der beiden Metallplatinen (9, 10) bei ge­ schlossenem Innenhochdruck-Umformwerkzeug (11) außerhalb dessen Gravur (14) und mit einer an eine Fluidhochdruckerzeugungsanla­ ge angeschlossene Druckfluideinleitungsvorrichtung, mittels de­ rer ein Druckfluid zwischen die beiden Metallplatinen (9, 10) zu deren Aufweitung zu einem Hohlkörper (1) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einander zugewandten Stirnseiten (17, 18) der Werkzeug­ hälften (12, 13) im an den randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) angrenzend einander gegenüberliegende Aussparungen (19) eingearbeitet sind, in denen gegenüber dem Umformwerkzeug (11) elektrisch isolierte, an eine Stromversorgungsanlage ange­ schlossene Widerstandsschweißelektroden (20) mit gegensätzli­ cher Polung aufgenommen sind, deren Kontaktfläche (22) zur je­ weiligen Metallplatine (9, 10) bündig mit der stirnseitigen An­ lagefläche (17, 18) der jeweiligen Werkzeughälfte (12, 13) an der jeweils zugewandten Metallplatine (9, 10) abschließt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar neben dem randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) mehrere einzelne Aussparungen (19) in den Stirnseiten (17, 18) der Werkzeughälften (12, 13) angeordnet sind, in denen die Widerstandsschweißelektroden (20) aufgenommen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Stirnseite (17, 18) der Werkzeughälften (12, 13) un­ mittelbar neben dem randseitigen Bereich (15) der Gravur (14) eine - mit Ausnahme des Bereiches (23) der Druckfluidzuführung - durchgängig umlaufende Aussparung (19) ausgebildet ist, in der jeweils eine Widerstandsschweißelektrode (20) angeordnet ist.