DE19750067A1 - Verfahren zum Fügen eines Bauteils an einen Hohlkörper und dadurch herstellbarer Halter-Rohrelement-Komplex - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen eines Bauteils an einen Hohlkörper, insbesondere ein Rohrelement, und auf einen nach diesem Verfahren herstellbaren Halter- Rohrelement-Komplex. Mit bekannten Verfahren dieser Art wer­ den z. B. Tox-, Niet- und Punktschweißverbindungen zum Verbin­ den von Rohrelementen mit anderen Bauteilen, wie Halte­ elementen, hergestellt.

Aus der Offenlegungsschrift DE 195 30 056 A1 ist ein Verfah­ ren zum Herstellen einer rohrförmigen Abzweigung an einem Hohlkörper bekannt. Dabei wird der Hohlkörper unter Innen­ hochdruck gesetzt, wobei durch plastische Umformung aus dem Material des Hohlkörpers eine domförmige Abzweigung ausgebil­ det wird. Die Kappe der domförmigen Abzweigung wird mit Hilfe eines Gegenhaltestempels ausgeformt.

Wärmeübertrager, z. B. von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, sind ein Anwendungsgebiet, bei dem häufig Halteelemente an runden Anschluß- oder Sammelrohren anzubringen sind. In der Patent­ schrift US 5.429.182 ist diesbezüglich eine Technik offen­ bart, bei der Halteelemente in Form von Klammern an Rahmen­ teilen durch Nieten vormontiert sind und mit Klammerfingern das betreffende Rohr umgreifen. In einem anschließenden Löt­ vorgang zum Fixieren eines Rohr-/Rippenblocks werden dann gleichzeitig die Klammern mit ihren Fingern am Rohr festgelö­ tet.

Aufgabe der Erfindung ist es, zum einen ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Verbindung zwischen einem Bauteil und einem Hohlkörper ermöglicht wird, und zum anderen einen auf diese Weise relativ einfach herzustellenden Halter-Rohrelement- Komplex mit sicherer Fixierung des Halters am Rohrelement be­ reitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Halter-Rohrelement- Komplex mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Verfahrens­ gemäß werden das Bauteil, z. B. ein Halter, und der Hohlkör­ per, z. B. ein Rohrelement, in einem Hochdruckumformwerkzeug lagefixiert angeordnet, und mittels Hochdruckumformung wird an dem Bauteil-Hohlkörper-Komplex wenigstens ein Nebenform­ element hergestellt, durch welches das Bauteil und der Hohl­ körper formschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei werden die Bauteile in dem geeignet gestalteten Werkzeug gegeneinan­ der ausgerichtet und positioniert, wonach wenigstens eines der beiden Teile, die den Bauteil-Hohlkörper-Komplex bilden, mittels Hochdruckumformung plastisch verformt wird, so daß ein einstückig mit einem der beiden Teile ausgeführtes Neben­ formelement entsteht, das mit dem jeweils anderen Teil in formschlüssigem Eingriff steht.

In Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Hochdruckumfor­ mung der Hohlkörper unter Innenüberdruck gesetzt, und das Ne­ benformelement wird unter Verwendung eines zusätzlichen Haltestempels hergestellt, der dem Nebenformelement von außen eine Form vorgibt. Dabei werden der Hohlkörper und ggf. das mit dem Hohlkörper zu fügende Bauteil an wenigstens einer durch das Hochdruckumformwerkzeug vorgegebenen Stelle pla­ stisch verformt, wobei der zusätzliche Haltestempel gegen den Innenüberdruck wirkt und die Verformung dahingehend beein­ flußt, daß sich eine gegenseitige Hinterschneidung der Bau­ teile ergibt. Dadurch wird besonders zuverlässig eine form­ schlüssige Verbindung der Bauteile erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das mit dem Hohl­ körper zu fügende Bauteil als flächiges Blech ausgeführt, das gemeinsam mit dem Hohlkörper umgeformt wird. Eine gesonderte Vorbehandlung des Blechs kann bei geeigneter Dicken- und Ma­ terialwahl weitgehend entfallen, so daß ein besonders einfa­ ches und kostengünstiges Fügeverfahren erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Hohlkörper oder das mit diesem zu fügende Bauteil vor deren lagefixier­ tem Anordnen im Hochdruckumformwerkzeug mit einer hinter­ greifbaren Ausformung, insbesondere einem Durchzug, einer Bohrung oder Ausstanzung versehen, die von dem mit Hilfe des Hochdruckumformprozesses hergestellten Nebenformelement hin­ tergriffen wird. Dabei wird dem herzustellenden Nebenformele­ ment auf Seiten des benachbarten Bauteils eine Ausformung zur Verfügung gestellt, in die das Material des Nebenformelemen­ tes während des Umformprozesses fließen kann. Damit läßt sich ein formschlüssiges Zusammenfügen mit besonders einfachen Mitteln erreichen, wobei ein zusätzlicher Haltestempel für das Nebenformelement nicht unbedingt erforderlich ist und der Fügeprozeß weiter vereinfacht wird.

Erfindungsgemäß läßt sich mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ein Halter an einem Rohrelement zur Bildung eines Halter-Rohrelement-Komplexes gemäß Anspruch 5 anbrin­ gen, wie er z. B. bei Wärmeübertragern in Kraftfahrzeugen ver­ wendbar ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierzu zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt einen in einem Innenhochdruckumformwerkzeug angeordneten Bauteil- Hohlkörper-Komplex in Form eines Rohres mit einem Halterblech vor der Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens,

Fig. 2 in einer Detaildarstellung einen in drei unter­ schiedlichen Varianten vorbereiteten Fügebereich des Bauteil-Hohlkörper-Komplexes nach Fig. 1 vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 den Bauteil-Hohlkörper-Komplex nach Fig. 1 nach der Durchführung wesentlicher Schritte des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,

Fig. 4 die drei unterschiedlichen Varianten des Fügebe­ reichs des Bauteil-Hohlkörper-Komplexes gemäß Fig. 2 im Verfahrensstadium von Fig. 3,

Fig. 5 den Bauteil-Hohlkörper-Komplex nach Fig. 1 nach Ab­ schluß des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 die drei unterschiedlichen Varianten des Fügebe­ reichs des Bauteil-Hohlkörper-Komplexes gemäß Fig. 2 im Verfahrensstadium von Fig. 5 jeweils mit voll­ ständig ausgeformtem Nebenformelement,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Halterblechen verbundenen Sammelrohres einer Kraftfahrzeugküh­ leranlage,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem vorgebohrten Träger verbundenen Sammelrohres einer Kraftfahrzeug­ kühleranlage,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungs­ beispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügten Bauteil-Hohlkörper-Komplexes in Form eines an einen Rohrabschnitt gefügten Halterbleches und

Fig. 10 einen Querschnitt durch den Bauteil-Hohlkörper- Komplex nach Fig. 9 entlang der Linie X-X.

Fig. 1 zeigt ausschnittweise ein Innenhochdruckumformwerkzeug 1, in das gemeinsam ein Hohlkörper in Form eines Rohrab­ schnittes 2 und ein mit dem Hohlkörper zu verbindendes Bau­ teil in Form eines Halterbleches 3 lagefixiert eingelegt sind, die zusammen einen zu fügenden Bauteil-Hohlkörper- Komplex bilden. Das Innenhochdruckumformwerkzeug 1 weist in einem dem Fügebereich 4 des Bauteil-Hohlkörper-Komplexes zu­ geordneten Abschnitt eine Ausnehmung 1a zum Einlegen des Hal­ terbleches 3 auf, die in einen rohrförmigen Abzweig übergeht, in dem ein Haltestempel 7 geführt ist.

In Fig. 2 sind alternativ zu dem Fügebereich 4, bei dem weder das Halterblech 3, noch der Rohrabschnitt 2 einer gesonderten Formgebung unterzogen worden sind, weitere mögliche Fügebe­ reiche 4' und 4'' dargestellt, bei denen das Halterblech 3 je­ weils mit einer hintergreifbaren Ausformung in Gestalt einer Bohrung 3' oder eines Durchzuges 3'' versehen ist. Die Bohrung 3' wird dabei vorzugsweise derart hergestellt, daß abgerunde­ te Kanten mit Radien Rl und R2 entstehen, die eine plastische Verformung des Rohrabschnitts 2 begünstigen. Der Radius R1 verhindert ein vorzeitiges Reißen zu Beginn des Umformprozes­ ses, während der Radius R2 das Reißen beim Hinterfließen der Halterbohrung 3' verhindert. Es stellt sich als besonders günstig heraus, den Radius R1 deutlich größer als den Radius R2 zu wählen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung kann wie folgt dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden. Zu­ nächst werden das Halterblech 3 und der Rohrabschnitt 2 in dem Innenhochdruckumformwerkzeug 1 derart fixiert, daß keine Bewegung der zu verbindenden Bauteile gegeneinander möglich ist. Vorzugsweise werden sie ohne Zwischenraum direkt gegeneinan­ der gepreßt. Anschließend wird dem Rohrabschnitt 2 ein kom­ primiertes Medium zugeführt, mit Hilfe dessen er derart unter Innenüberdruck gesetzt wird, daß sich sein Werkstoff pla­ stisch verformt. Dabei wird das Material des Rohrabschnitts 2 gegen die Innenflächen des Werkzeuges 1 gepreßt, das insofern eine allseitige Verformung verhindert und statt dessen eine Zielform vorgibt. Bei ausreichendem Innenüberdruck fließen sowohl das Material des Rohrabschnittes 2 als auch das des Halterblechs 3 in die Ausnehmung 1a und den Abzweig des In­ nenhochdruckumformwerkzeuges 1, so daß sich eine Kuppe 5 bil­ det. Falls erforderlich, kann unterstützend ein axiales Zu­ sammendrücken des Rohres 2 vorgesehen sein. Der Haltestempel 7 drückt derart auf die sich bildende Kuppe 5, daß diese, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, nicht mit einer kugeli­ gen, sondern weitgehend flachen Kappe ausgebildet wird. Falls an dem Halterblech 3 eine Bohrung 3' oder ein Durchzug 3'' an­ gebracht ist, vereinfacht sich der Verfahrensschritt, da dann das Material des Rohrabschnitts 2 allein eine entsprechend modifizierte Kuppe 5' bzw. 5'' bildet, indem es durch die Aus­ formung des Halterblechs 3 hindurchfließt.

In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die Druckkraft des Haltestempels 7 gegen den Innenüberdruck in dem Rohrab­ schnitt 2 so weit erhöht, daß die Kuppe 5, 5', 5'' zu einem Nebenformelement 6, 6', 6'' umgeformt wird, welches das Hal­ terblech 3, 3', 3'' formschlüssig hintergreift, wodurch eine tox- oder nietartige Verbindung entsteht. Dadurch wird eine unlösbare Fügeverbindung zwischen dem Rohrabschnitt 2 und dem Halterblech 3 geschaffen, bei der die Wandung des Rohrab­ schnittes 2 nicht durchbrochen ist. Dies erweist sich als be­ sonders vorteilhaft, wenn vom Rohrabschnitt 2 unter schwieri­ gen Bedingungen erhöhte Dichtigkeitsanforderungen zu erfüllen sind.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist an dem Halterblech 3 stets eine Ausfor­ mung 3', 3'' vorgesehen, wobei auf den Haltestempel 7 verzich­ tet wird. Dabei wird zunächst mit Hilfe der üblichen Innen­ hochdruckumformung eine Kuppe 5' bzw. 5'' analog zu Fig. 4 er­ zeugt, die sich bei weiterer Innenhochdruckumformung außer­ halb der Ausformung ausweitet und somit die Ausformung 3' bzw. 3'' ebenfalls hintergreift. Unterstützend kann dabei an­ stelle des Haltestempels 7 eine Anschlagfläche vorgesehen werden, die eine Ausdehnung der Kuppe 5', 5'' quer zur Rohrachse ab einer bestimmten Längenausdehnung blockiert und ein Hinterfließen des Halterblechs 3 bewirkt.

In den Fig. 7 und 8 sind beispielhaft zwei mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bauteilverbindungen dargestellt. Dabei ist ein Hohlkörper in Form eines Sammel­ rohres 10 einer Kraftfahrzeugkühleranlage mit zwei Halterble­ chen 11, 12 bzw. mit einem Profilträger 13 verbunden. Aus dem erstgenannten Beispiel gemäß Fig. 7 wird deutlich, daß Ver­ bindungen nach dem vorgeschlagenen Verfahren an beliebiger Stelle eines Hohlkörpers in Form des Sammelrohres 10 ange­ bracht werden können, und zwar sowohl an ebenen als auch an beliebig gekrümmten Flächen, wobei gleichzeitig mit dem Füge­ vorgang eine großflächige Umformung des Hohlkörpers selbst vorgenommen werden kann. Da derartige Verbindungen in belie­ biger Größe und Anzahl vorsehbar sind, ohne daß die Oberflä­ che des Hohlkörpers zerstört werden muß, lassen sich der Hohlkörper und das mit dem Hohlkörper zu verbindende Bauteil so zusammenfügen, daß der Belastung im anschließenden Ge­ brauch des Rohres 10 ausreichend Rechnung getragen wird. Da­ bei besteht eine Wahlmöglichkeit, ob eine Ausformung, bei­ spielsweise in Gestalt einer Bohrung oder Ausstanzung, an dem Halterblech 11, 12 vorgesehen wird oder nicht.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens gemäß den Fig. 9 und 10 sind ein Rohrab­ schnitt 10 und ein im Bereich der Fügeverbindung ebenes Hal­ terblech 14 derart in einem Hochdruckumformwerkzeug 17 positio­ niert, daß nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens das Halterblech 14 an Außenkanten 14a und 14b form­ schlüssig umgriffen wird, wodurch eine besonders vorteilhafte Anbindung des Halterbleches 14 erzielt wird. Dazu wird der Rohrabschnitt 10 beim Schließen des Hochdruckumformwerkzeugs im Bereich der Fügeverbindung eingedrückt, so daß die Aufla­ gefläche für das Halterblech 14 im Vergleich zu den in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen zur Rohr­ längsmittelachse hin versetzt ist. Dadurch ergeben sich ge­ ringere Dehnungen im Fügebereich, und die Fügeverbindung ist durch entsprechende Werkzeuggestaltung so ausgeführt, daß der Außendurchmesser des Rohrelementes an der Fügestelle durch Nebenformelemente 6' nicht überschritten wird. Die Ausdehnung der sich beim Umformen bildenden Nebenformelemente 6' wird in diesem Beispiel durch vom Werkzeug 17 selbst bereitgestellte Anschlagflächen 15 begrenzt. Dabei wird das Halterblech 14 bis auf einen jeweiligen schmalen Hinterschnittbereich 16 ganz flächig vom Werkzeug 17 abgestützt und daher nicht umge­ formt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise dazu ver­ wendbar, einen Halter an einem Sammelrohr eines Wärmeübertra­ gers, wie eines Flachrohrkondensators für eine Kraftfahrzeug- Klimaanlage, anzubringen. Vorteilhafterweise können in diesem Fall gleichzeitig mit der Herstellung des Halter-Sammelrohr- Komplexes während der Innenhochdruckanwendung Schlitze bzw. Durchzüge zur Aufnahme der Flachrohre in das Sammelrohr ein­ gebracht werden, wobei dazu das Druckmedium als Matrize wirkt. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf Verbin­ dungen an Rohren von Kühleranlagen bzw. Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen beschränkt ist, sondern überall dort Anwen­ dung finden kann, wo ein Bauteil mittels Hochdruckumformung an einen Hohlkörper gefügt werden soll.

Claims (5)

1. Verfahren zum Fügen eines Bauteils an einen Hohlkörper, insbesondere ein Rohrelement, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - das Bauteil (3) und der Hohlkörper (2) werden in einem Hochdruckumformwerkzeug (1) lagefixiert angeordnet, und
• - mittels Hochdruckumformung wird an dem Bauteil-Hohlkörper Komplex wenigstens ein Nebenformelement (6) hergestellt, durch welches das Bauteil und der Hohlkörper formschlüssig miteinander verbunden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Hochdruckumformung der Hohlkörper (2) unter Innen­ überdruck gesetzt wird und das Nebenformelement (6) unter Verwendung eines zusätzlichen Haltestempels (7) hergestellt wird, der dem Nebenformelement von außen eine Form vorgibt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mit dem Hohlkörper (2) zu verbindende Bauteil als flächiges Blech (3) ausgeführt ist, das gemeinsam mit dem Hohlkörper umgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) oder das mit diesem zu verbindende Bauteil (3) vor deren lagefixiertem Anordnen im Hochdruckumformwerkzeug (1) mit einer hintergreifbaren Aus­ formung (3', 3''), insbesondere einer Bohrung (3'), einer Aus­ stanzung, einem Durchzug (3'') oder einer umgreifbaren Außen­ kante (14a, 14b), versehen wird, die von dem mit Hilfe des Hochdruckumformprozesses hergestellten Nebenformelement (6', 6'') hintergriffen wird.

5. Halter-Rohrelement-Komplex, insbesondere für einen Wärme­ übertrager in einem Kraftfahrzeug, mit

• - einem Rohrelement (10) und
• - einem an dem Rohrelement angebrachten Halter (11 bis 14), dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Halter (11 bis 14) durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an dem Rohrelement (10) angebracht ist.