DE19831047C2 - Verfahren zur Herstellung von rohrartigen Strukturelementen und Strukturelement - Google Patents

Description

Rohrartige Strukturelemente werden in den Karosserien von Personenkraftwagen (Pkw) in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, um das Gewicht der Pkw's zu reduzieren, ohne hierbei jedoch die Festigkeit bzw. Steifigkeit der Karos­ serien zu beeinträchtigen.

Einige dieser Strukturelemente weisen über ihre Länge ge­ sehen große Querschnittsunterschiede auf. So besitzen insbesondere die seitlichen A-, B- und C-Säulen im Be­ reich der Anschlussstellen an die Bodenschweller deutlich größere Querschnitte als im Bereich der Anschlussstellen an die Dachholme. Auch die zwischen den Anschlussstellen liegenden Bereiche der Strukturelemente weisen durchweg andere sowie untereinander differierende Querschnittskon­ turen auf. Infolge dessen werden derartige Strukturele­ mente bislang zumeist aus gepressten stählernen Schalen zusammengesetzt. Dabei werden die Schalen jedes Struktur­ elements für sich in einem Pressformwerkzeug geformt und anschließend miteinander verschweißt. Aufgrund der not­ wendigen Verzinkung zur Erhöhung der Korrosionsbeständig­ keit können die gepressten Schalen aber nur partiell durch Punktschweißungen miteinander verbunden werden. So­ mit ist die Steifigkeit sowie die Festigkeit der Struk­ turelemente begrenzt. Auch ist die Fertigung im Pressum­ formverfahren relativ aufwendig, da die erforderlichen Werkzeuge teuer sind und zudem bezüglich ihrer Maßhaltig­ keit permanent überwacht werden müssen.

Im Umfang des "Handbuches der Umformtechnik" der Schuler GmbH, Bahnhofstr. 41, 73033 Göppingen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996 ist es allgemein bekannt, A-, B- und C-Säulen von Pkw's im hydraulischen Innenhochdruckum­ formverfahren aus konisch gerollten und verschweißten Blechen herzustellen. Über die spezielle Konfiguration der Säulen und ihre Fertigung ist dem "Handbuch" aller­ dings nichts zu entnehmen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von rohr­ artigen Strukturelementen für Pkw-Karosserien und ein Strukturelement zu schaffen, bei welchen unter erhöhten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen deutliche Ge­ wichtsreduzierungen im Sinne des Leichtbaus gewährleistet werden können.

Die verfahrensmäßige Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 2.

Die Erfindung kombiniert verschiedene bekannte Umformver­ fahren miteinander, um letztlich sicherzustellen, dass auch rohrartige Strukturelemente mit über ihre Länge großen Querschnittsunterschieden unter Einsatz der hydraulischen Innenhochdruckumformtechnologie mit erhöh­ ter Festigkeit, verbesserter Maßhaltigkeit und größerer Steifigkeit bei deutlicher Gewichtsreduzierung kostengün­ stig hergestellt werden können. In diesem Zusammenhang werden unter großen Querschnittsunterschieden solche ver­ standen, die 30% und mehr betragen.

Das Verfahren geht aus von metallischen Platinen, insbe­ sondere aus Stahl, aus Kalt- oder Warmband mit guter Um­ formbarkeit oder aus Aluminiumlegierungen. Ferner ist der Einsatz von Tailored Blanks denkbar. Von diesen Platinen werden zunächst unter Berücksichtigung der gewollten End­ form entsprechend konfigurierte Bleche durch Schneiden oder Stanzen abgeteilt. Diese Bleche werden dann zu koni­ schen Schlitzrohren geformt. Anschließend werden die an­ einanderstoßenden Längskanten der Schlitzrohre über ihre gesamte Länge miteinander verschweißt und derart Konus­ rohre gebildet. Das Verschweißen der Stoßkanten der Schlitzrohre kann durch Laserschweißen, Plasmaschweißen oder MIG-/MAG-/WIG-Schweißen erfolgen. Bei dem Einsatz von Tailored Blanks können Schlitzrohre mit unterschied­ lichen Wanddicken und aus verschiedenen Materialien be­ reitgestellt werden.

Im Anschluss an die Verschweißung werden die dann vorlie­ genden Konusrohre einem Biegevorgang unterworfen, um sie dem generellen Verlauf von Strukturelementen zur Verstei­ fung der Seitenwände von Pkw-Karosserien weitgehend an­ zugleichen. Ein solcher Biegevorgang mit Krümmung der Längsachsen kann bei geeigneter Biegekontur in einem Hy­ droformwerkzeug durchgeführt werden. Vorstellbar sind aber auch andere Umformverfahren.

Da die Strukturelemente letztlich in allen Längenberei­ chen einen mehreckigen Querschnitt mit unterschiedlichen Querschnittsausbildungen aufweisen, werden die geschweiß­ ten und gekrümmten Konusrohre dann mechanisch mehreckig geprägt. Hierdurch erhalten die Konusrohre eine umform­ technisch optimale Ausgangsform für die sich an­ schließende hydraulische Innenhochdruckumformung. Auch sind die derart geprägten Profilrohre wesentlich problem­ loser in ein Hydroformwerkzeug einzulegen.

Um die zum einwandfreien Anbinden der Strukturelemente an die Pkw-Karosserien notwendigen großen Querschnitte an den Rohrenden zu erzeugen, können gemäß einer ersten Al­ ternative die gekrümmten Konusrohre vor dem Prägen stark aufgeweitet werden. Hierzu werden z. B. entsprechend ge­ staltete Dorne, insbesondere mittels Hydraulikzylinder, in die Rohrenden gepresst. Die trichterartig aufgeweite­ ten Querschnitte bleiben dabei weitgehend rund. Dadurch ist die Streckung der Rohrenden gleichmäßig und es lassen sich größte Aufweitverhältnisse erreichen.

Eine zweite Alternative sieht vor, dass die Rohrenden parallel zum Prägen mechanisch aufgeweitet werden. Dieses Aufweiten kann im Prägewerkzeug mittels geeigneter Dorne durchgeführt werden, die insbesondere mittels Hydraulik­ zylinder in die Rohrenden gepresst werden.

Je nach Lage der Strukturelemente in der Pkw-Karosserie können sie über ihren Längenverlauf S-, T- oder winkel­ förmige bzw. rechteckige oder annähernd rechteckige Quer­ schnitte aufweisen.

Es ist im Rahmen der Erfindung durchaus denkbar, dass das Biegen eines Konusrohrs und das Verprägen zu einem Pro­ filrohr mit unterschiedlichen mehreckigen Querschnitten in einem einzigen Fertigungsschritt zusammengefasst sein kann.

Im Anschluss an das Aufweiten und Prägen erfolgt die End­ umformung mit Hilfe des hydraulischen Innenhochdruckver­ fahrens unter gleichzeitiger hydraulischer Lochung und Kalibrierung in die Endkonfiguration der Strukturele­ mente.

Bei den derart hergestellten Strukturelementen einer Pkw- Karosserie können jetzt unter Anwendung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens im Sinne des Leichtbaus deutliche Ge­ wichtsreduzierungen erzielt werden. Auch wird den erhöh­ ten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen vorteil­ haft Rechnung getragen, die durch neuere gesetzliche Rah­ menbedingungen zur Steigerung des Seitenaufprallschutzes von Pkw vorgeschrieben sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 9 eines in den Zeichnungen veranschaulichten Fertigungs­ gangs eines Strukturelements in Form einer B-Säule für die Karosserie eines Pkw's näher erläutert.

Zur Schaffung eines aus der Fig. 9 im Schema erkennbaren Strukturelements 1 wird zunächst aus einer nicht näher dargestellten stählernen Platine unter Berücksichtigung der gewünschten Endform des Strukturelements 1 ein Blech 2 abgeteilt (Fig. 1). Dieses Blech 2 besitzt eine im we­ sentlichen trapezförmige Konfiguration mit geraden, gleich langen Längskanten 3, 4 und gekrümmten Querseiten 5, 6 unterschiedlicher Länge. Die Querseite 5 ist konvex gestaltet, während die Querseite 6 konkav ausgebildet ist. Die Längenunterschiede der Querseiten 5, 6 bestimmen letztlich auch die mündungsseitigen Querschnittsunter­ schiede des fertigen Strukturelements 1 gemäß Fig. 9.

Das Blech 2 wird anschließend gemäß Fig. 2 zu einem ko­ nischen Schlitzrohr 7 gerollt. Die Längskanten 3, 4 lie­ gen dann parallel nebeneinander. Durch die Querseiten 5, 6 werden unterschiedlich große endseitige Mündungsquer­ schnitte 8, 9 gebildet.

Daraufhin werden die aneinanderstoßenden Längskanten 3, 4 des Schlitzrohrs 7 entsprechend Fig. 3 über ihre gesamte Länge verschweißt, so dass ein Konusrohr 10 mit gerader Längsachse 11 und Schweißnaht 12 entsteht.

Dieses Konusrohr 10 wird nunmehr gemäß Fig. 4 derart einem Biegevorgang unterworfen, dass die Längsachse 11 im Hinblick auf die gewünschte Endform des Strukturelements 1 gemäß Fig. 9 gekrümmt wird. Hierbei sind die angrei­ fenden Biegekräfte mit den Pfeilen PF, PF1 und PF2 be­ zeichnet. Es wird ein gekrümmtes Konusrohr 13 gebildet.

Nach dem Biegen werden die Rohrenden 14, 15 des gekrümm­ ten Konusrohrs 13 entsprechend der Darstellung der Fig. 5 trichterartig aufgeweitet. Dazu werden in der erforder­ lichen Weise ausgebildete Dorne 16, 17 mittels durch die Pfeile F dargestellter hydraulischer Zylinder in die Rohrenden 14, 15 gepresst. Es liegt dann das endseitig aufgeweitete gekrümmte Konusrohr 18 vor.

Diese Konusrohr 18 wird nunmehr mechanisch zu einem im Querschnitt QU mehreckigen, über die Rohrlänge unter­ schiedliche Konturen aufweisenden Profilrohr 19 geprägt (Fig. 6 und 7). Die Querschnittskonturen QU des Pro­ filrohrs 19 in den diversen Längenabschnitten sind gemäß Fig. 7 weitgehend U-förmig mit seitlichen Flanschen 20. Zur Erhaltung der Zeichnungsübersichtlichkeit ist in der Fig. 7 beispielsweise nur eine von mehreren voneinander abweichenden Querschnittskonturen QU veranschaulicht. Da­ mit entsprechen diese Konturen QU annähernd den Konturen Q des fertigen Strukturelements 1 gemäß Fig. 9. Dieses spezielle Prägen des endseitig aufgeweiteten gekrümmten Konusrohrs 19 dient dem Ziel, bei dem sich anschließenden hydraulischen Innenhochdruckumformen die gewünschte End­ konfiguration des Strukturelements 1 sicher gewährleisten zu können. Das heißt, es werden zu große lokale Ab­ streckungen vermieden, die zu einem Bersten des Bauteils beim Hydroformen führen könnten. Zudem wird durch das Vorprägen ein problemloses Einlegen des Bauteils in das Hydroformwerkzeug gewährleistet.

Im Anschluss an das Aufweiten und Prägen gemäß den Fig. 5 und 6 wird das endseitig aufgeweitete Profilrohr 19 der Fig. 6 und 7 durch hydraulische Innenhochdruckum­ formung unter gleichzeitiger Kalibrierung gemäß Fig. 8 in die Endform des Strukturelements 1 gemäß Fig. 9 ge­ bracht. Der Druck hierfür wird über die Stirnseiten 21, 22 gemäß den Pfeilen D eingeleitet. Es gelangt ein flüs­ siges Hydraulikmedium zur Anwendung.

Hieran schließt sich dann eine Endenbearbeitung an. Diese ist durch die Pfeile 23 und 24 der Fig. 9 veranschau­ licht.

Während der hydraulischen Innenhochdruckumformung können eventuell notwendig werdende Ausnehmungen in der Wand des Strukturelements 1 durch Hydrolochen erzeugt werden.

Bezugszeichenaufstellung

1

- Strukturelement

2

- Blech

3

- Längskante v.

2

4

- Längskante v.

2

5

- Querseite v.

2

6

- Querseite v.

2

7

- Schlitzrohr

8

- Mündungsquerschnitt

9

- Mündungsquerschnitt

10

- gerades Konusrohr

11

- Längsachse v.

10

u.

13

12

- Schweißnaht

13

- gekrümmtes Konusrohr

14

- Ende v.

13

15

- Ende v.

13

16

- Aufweitdorn

17

- Aufweitdorn

18

- gekrümmtes aufgeweitetes Konusrohr

19

- Aufgeweitetes Profilrohr

20

- Flansche v. QU

21

- Stirnseite v.

19

22

- Stirnseite v.

19

23

- Pfeil

24

- Pfeil
D - Druckpfeile
F - Zylinder
PF - Biegekraft
PF1 - Biegekraft
PF2 - Biegekraft
QU - Kontur

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von rohrartigen Struktur­ elementen (1) zur Versteifung der Seitenwände von Pkw-Karosserien, bei welchem zunächst aus metalli­ schen Platinen zugeschnittene Bleche (2) zu konischen Schlitzrohren (7) geformt, dann die aneinander stoßenden Längskanten (3, 4) der Schlitzrohre (7) auf ihrer gesamten Länge miteinander verschweißt und da­ nach die derart gebildeten konischen Rohre (10) unter Krümmung der Längsachsen (11) gebogen werden, worauf die gekrümmten Konusrohre (13) entweder endseitig me­ chanisch trichterartig aufgeweitet und danach eben­ falls mechanisch zu im Querschnitt mehreckigen, mit über die Rohrlänge unterschiedliche Konturen (QU) aufweisenden, der Endkonfiguration der Strukturele­ mente (1) angenäherten Profilrohren (19) geprägt oder die Rohrenden (14, 15) der Konusrohre (13) im Zuge der Prägung zu Profilrohren (19) mit entsprechend ge­ stalteten Dornen (16, 17) stark aufgeweitet werden, und dass dann die Profilrohre (19) mittels hydrauli­ schem Innenhochdruck unter gleichzeitiger hydrauli­ scher Lochung und hydraulischer Kalibrierung in die Endkonfiguration der Strukturelemente (1) umgeformt werden.

2. Strukturelement zur Versteifung der Seitenwände von Pkw-Karosserien, hergestellt durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bestehend aus einem durch mechani­ sche Prägung mit anschließender hydraulischer Innen­ hochdruckumformung aus einem längsnahtgeschweißten, eine gekrümmte Längsachse (11) aufweisenden Konusrohr (13) umgeformten Profilrohr (19) mit über die Rohr­ länge verschiedenen mehreckigen Konturen, dessen un­ terschiedlich große Mündungsquerschnitte aufweisenden Enden (14, 15) im Zuge der Abdichtung zur Innenhoch­ druckumformung trichterartig aufgeweitet werden.