DE19928873B4

DE19928873B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Innendruckformen eines hohlen metallischen Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE19928873B4
Application number: DE19928873A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Kleinschmidt; Dieter Dr.-Ing. Töpker; Elmar Dipl.-Ing. Grußmann; Andreas Dr.-Ing. Fritz
Original assignee: Benteler Deustchland GmbH
Current assignee: Benteler Deustchland GmbH
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: DE19928873A1; EP1063029A1; EP1063029B1; US6349583B1

Abstract

Verfahren zum Innendruckumformen eines offene Enden (17) aufweisenden hohlen Werkstücks (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem Formnest (5) eines mehrteiligen Werkzeugs (1), bei welchem das Werkstück (2) in das offene, vorab aufgeheizte Werkzeug (1) gelegt, danach in die Enden (17) des Werkstücks (2) Bestandteile von Schließzylindern (8, 9) bildende Schließdorne (10, 11) dichtend eingeführt werden und dann das Werkzeug (1) geschlossen wird, worauf über mindestens einen durch die Aufheizung des Werkzeugs (1) ebenfalls erwärmten Schließdorn (10, 11) Stickstoff (14) als Druckfluid in das warme plastifizierte Werkstück (2) geleitet und unter dem Einfluss des Stickstoffs (14) der Werkstoff des Werkstücks (2) in einem Temperaturbereich zwischen 250°C und 350°C bei einem Druck zwischen 180 bar und 250 bar in das Formnest (5) im Werkzeug (1) gepresst wird, wobei der spezifische Innendruck über ein in die Zuleitung (13) für den Stickstoff (14) eingegliedertes Regelventil (15) in Abhängigkeit von der jeweiligen...

Description

Die Methode des Innendruckumformens von hohlen, insbesondere rohrförmigen, Werkstücken innerhalb eines geschlossenen Werkzeugs ist sowohl bei dem Werkstoff Stahl als auch bei Nichteisenmetallen bekannt. Das in die Werkstücke eingebrachte Druckfluid besteht hierbei aus Wasser oder einer Wasseremulsion. Die Umformung des Werkstücks erfolgt bei Raumtemperatur.

Im Umfang der EP 0 785 036 A1 ist es bekannt, heißen Sand in ein Werkstück einzubringen und dieses umzuformen. Hierbei werden vor dem Umformen sowohl das Werkstück als auch das Werkzeug erwärmt. Während der Umformung wird die Temperatur des Werkzeugs und des Werkstücks aufrecht erhalten.

Das Innendruckumformen mittels Sand verlangt jedoch ein spezielles Handling. Geringe Radien sind, wenn überhaupt, nur mit einem erheblichen Aufwand erzielbar. Auch ist ein einseitiges Ausformen, z.B. einen Dom, nur schwer durchführbar. Ferner gibt es erhebliche Probleme beim Abdichten sowie in Bezug auf die Standzeit des Werkzeugs. Eine hochwertige Qualität der inneren Oberfläche kann im Prinzip mit Sand nicht erzielt werden. Auch dieser Sachverhalt bedingt einen außerordentlich hohen kostenträchtigen Aufwand, der die Wirtschaftlichkeit des bekannten Verfahrens in Frage stellt.

Durch die DE 196 42 824 A1 ist ein Verfahren zum Innendruckumformen eines offene Enden aufweisenden hohlen Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem Formnest eines mehrteiligen Werkzeugs bekannt, bei welchem das Werkstück in das offene Werkzeug gelegt, danach in die Enden des Werkstücks Bestandteile von Schließzylindern bildende Schließdorne dichtend eingeführt werden und dann das Werkzeug geschlossen wird. Im Anschluss daran wird über mindestens einen Schließdorn ein Wärmeträgeröl mit einem Dampfdruck von 1 bar bei einer Temperatur von etwa 250°C in das Werkstück geleitet und dadurch das Werkstück dem Formnest im Werkzeug angepasst.

Hierzu ist anzumerken, dass die Taktzeiten zum Umformen eines Werkstücks vergleichsweise lang sind. Ursache hierfür bildet der Sachverhalt, dass das Druckmedium Wärmeträgeröl vorab erhitzt und dann zum Aufheizen des Werkstücks auf Umformtemperatur benutzt wird. Erst danach wird das Werkstück verschlossen und umgeformt. Auch ist durch die Verwendung von Wärmeträgeröl der Kostenfaktor vergleichsweise hoch. Des Weiteren sind mit der Verwendung von Wärmeträgeröl Dichtungsprobleme an den verschiedensten Ventilen, Kolben und Dichtungen im Hinblick auf die dort vorhandenen Kunststoffteile nicht zu vermeiden. Schließlich sind das Einfüllen von Wärmeträgeröl in das umzuformende Werkstück und seine Entfernung kompliziert und zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Innendruckumformen eines offene Enden aufweisenden hohlen Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu schaffen, die bei kürzeren Taktzeiten sicherer sind und bei vermindertem Umformaufwand ein exakteres Umformen der Werkstücke bei geringeren Temperaturen und Drücken gewährleisten.

Wichtig an dem neuen Verfahren (Anspruch 1) und der dabei benutzten Vorrichtung (Anspruch 6) ist zunächst die Tatsache, dass das Werkzeug vor dem Einlegen des Werkstücks aufgeheizt wird. Hierdurch kann die Umformung schneller vonstatten gehen, weil weniger Umformdruck aufgebracht werden muss. Die Taktzeiten werden verkürzt.

Dadurch, dass mindestens ein Schließdorn beim Aufheizen des Werkzeugs mit erwärmt wird, sind auch die Stirnseiten des Werkstücks keinen kalten Bereichen des Werkzeugs mehr ausgesetzt. Auch dies trägt zu einer schnelleren und einfacheren Umformung des Werkstücks bei.

Hierbei ist ferner zu beachten, dass es sich bei einem Umformwerkzeug durchweg um ein Bauteil mit einer großen Werkstoffmasse handelt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung wird in der Verwendung von Stickstoff als Druckfluid gesehen. Stickstoff ist im Vergleich zu einem Wärmeträgeröl wesentlich kostengünstiger. Auch sind mit Stickstoff keine Probleme mehr in seinem Kreislauf an den Ventilen, Kolben und Dichtungen vorhanden. Schließlich kann Stickstoff wesentlich schneller in das Werkstück eingefüllt und aus diesem auch wieder abgezogen werden.

Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erweist sich der Temperaturbereich von 250°C bis 350°C bei einem Druck zwischen 180 bar und 250 bar je nach den Wanddicken und der Konfiguration der umzuformenden Gegenstände bei der Umformung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen als besonders vorteilhaft. Insbesondere unter diesem Aspekt kann der spezifische Innendruck in dem jeweiligen umzuformenden Werkstück über ein in die Zuleitung für den Stickstoff eingegliedertes Regelventil in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufwärmtemperatur des Werkstücks und der Heiztemperatur des Werkzeugs gesteuert werden.

Auch die zum leichteren Umformen des Werkstücks erforderliche Temperatur kann über die Beheizung des Werkzeugs erzielt werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform, insbesondere in der Serienfertigung, besteht gemäß Anspruch 2 aber darin, dass das Werkstück vor dem Einbringen in das Werkzeug auf die zweckmäßige Temperatur gebracht wird.

Die Erwärmung des Werkstücks kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Vorteilhaft ist jedoch gemäß Anspruch 3, dass das Werkstück in einem Ofen extern auf die notwendige Temperatur gebracht wird.

Der Umformprozess kann nach der Erfindung in einem reinen Aufweiten eines Werkstücks im geschlossenen Werkzeug bestehen oder gemäß Anspruch 4 mit einem zusätzlichen Verlagern zumindest eines Schließdorns gekoppelt sein. Diese Methode wird insbesondere bei komplexen Konfigurationen angewandt, z.B. dann, wenn im Verlauf des Werkstücks eine seitliche Ausformung in Form eines sogenannten Doms erzeugt werden soll und Material nachgeschoben werden muss. Hier wird außerdem im Bereich des Dorns meistens eine weitere axial verlagerbare Gegenkraft in Form eines hydraulisch beeinflussbaren Gegenhaltestößels im Werkzeug vorgesehen.

Schließlich ist es entsprechend Anspruch 5 noch möglich, den Stickstoff vor dem Einleiten in das Werkstück extern zu temperieren.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Mit 1 ist ein schematisch veranschaulichtes Werkzeug zum Innendruckumformen eines hohlen metallischen Werkstücks 2, insbesondere eines Aluminiumrohrs aus AlMg3, bezeich net. Das S-förmig vorgeformte Werkstück 2 soll im Werkzeug 1 seine endgültige S-förmige Kontur mit einem seitlichen Dom 3 im mittleren Übergangsabschnitt 4 erhalten. Dazu ist im Werkzeug 1 ein entsprechend gestaltetes Formnest 5 vorgesehen.
Das Werkzeug 1 ist sowohl im dargestellten Untergesenk 6 als auch im nicht näher dargestellten Obergesenk mit einer Heizung 7 versehen, die beim Ausführungsbeispiel als elektrische Heizspirale veranschaulicht ist.
Dem Werkzeug 1 sind zu beiden Stirnseiten des Werkstücks 2 hydraulisch beaufschlagbare Schließzylinder 8, 9 mit axial verlagerbaren Schließdornen 10, 11 zugeordnet. Von diesen Schließdornen 10, 11 ist der Schließdorn 11 mit einem Längskanal 12 versehen, an den eine Zuleitung 13 zur Zuführung eines aus reinem Stickstoff bestehenden Druckfluids 14 angeschlossen ist. Die Zuleitung 13 ist über ein Regelventil 15 mit Druckanzeige 16 geführt.
Beide Schließdorne 10, 11 dienen der Abdichtung der Enden 17 des Werkstücks 2 sowie der Einleitung axialer Nachschiebekräfte, falls diese zur Ausbildung des Doms 3 erforderlich sind.
Zwecks Fertigung des Doms 3 ist dem Werkzeug 1 noch ein Gegenhaltestößel 18 als Bestandteil eines hydraulisch beaufschlagbaren Zylinders 19 zugeordnet.
Bei der Innendruckumformung des Werkstücks 2 wird parallel zu der Aufheizung des Formnests 5 im Werkzeug 1 das Werkstück 2 in einem nicht näher dargestellten Ofen extern auf eine Temperatur zwischen 250°C und 350°C gebracht. Dieselbe Temperatur hat auch das Werkzeug 1.
Das derart vorab erwärmte Werkstück 2 wird dann in das Formnest 5 gelegt und anschließend werden die Schließdorne 10, 11 in die Enden 17 des Werkstücks 2 dichtend eingefahren. Das Werkzeug 1 kann gleichzeitig mit dem Einfahren der Schließdorne 10, 11 in die Enden 17 geschlossen werden oder es kann vorher verschlossen werden.
Im Anschluss daran wird über die Zuleitung 13 das Druckfluid 14 druckgeregelt in das Werkstück 2 eingeführt und dadurch sein plastifizierter Werkstoff in das Formnest 5 gepresst.
Der hierbei notwendige Innendruck kann über das Regelventil 15 einwandfrei in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufwärmtemperatur des Werkstücks 2 und der Heiztemperatur des Werkzeugs 1 gesteuert werden.
Das Druckfluid 14 kann vor dem Zuführen zum Schließdorn 11 erwärmt werden. Da jedoch auch der Schließdorn 11 über das Werkzeug 1 mit erwärmt wird, genügt die dann vom Werkzeug 1 auf den Schließdorn 11 und vom Schließdorn 11 auf das Druckfluid 14 im Längskanal 12 übertragene Wärme, um sich dem Temperaturniveau von Werkstück 2 und Werkzeug 1 anzupassen.

1: Werkzeug
2: Werkstück
3: Dom an 2
4: Übergangsabschnitt v. 2
5: Formnest in 1
6: Untergesenk v. 1
7: Heizung
8: Schließzylinder
9: Schließzylinder
10: Schließdorn v. 8
11: Schließdorn v. 9
12: Längskanal in 11
13: Zuleitung zu 12
14: Druckfluid
15: Regelventil
16: Druckanzeige
17: Enden v. 2
18: Gegenhaltestößel
19: hydr. Zylinder

Claims

Verfahren zum Innendruckumformen eines offene Enden (17) aufweisenden hohlen Werkstücks (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem Formnest (5) eines mehrteiligen Werkzeugs (1), bei welchem das Werkstück (2) in das offene, vorab aufgeheizte Werkzeug (1) gelegt, danach in die Enden (17) des Werkstücks (2) Bestandteile von Schließzylindern (8, 9) bildende Schließdorne (10, 11) dichtend eingeführt werden und dann das Werkzeug (1) geschlossen wird, worauf über mindestens einen durch die Aufheizung des Werkzeugs (1) ebenfalls erwärmten Schließdorn (10, 11) Stickstoff (14) als Druckfluid in das warme plastifizierte Werkstück (2) geleitet und unter dem Einfluss des Stickstoffs (14) der Werkstoff des Werkstücks (2) in einem Temperaturbereich zwischen 250°C und 350°C bei einem Druck zwischen 180 bar und 250 bar in das Formnest (5) im Werkzeug (1) gepresst wird, wobei der spezifische Innendruck über ein in die Zuleitung (13) für den Stickstoff (14) eingegliedertes Regelventil (15) in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufwärmtemperatur des Werkstücks (2) und der Heiztemperatur des Werkzeugs (1) gesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei welchem das Werkstück (2) vor dem Einbringen in das Werkzeug (1) erwärmt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei welchem das Werkstück (2) extern in einem Ofen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei welchem beim Einleiten des Stickstoffs (14) mindestens ein Schließdorn (11) in das Werkstück (2) verlagert wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei welchem der Stickstoff (14) vor dem Einleiten in das Werkstück (2) extern temperiert wird.
Vorrichtung zum Innendruckumformen eines offene Enden (17) aufweisenden hohlen Werkstücks (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welche ein mit einer kapazitiven oder induktiven elektrischen Heizung (7) versehenes mehrteiliges Werkzeug (1) mit einem Formnest (5) für das Werkstück (2) und mit in die Enden (17) verfahrbaren, über das Werkzeug (1) mit erwärmbaren Schließdornen (10, 11) als Bestandteile von hydraulisch beaufschlagbaren Schließzylindern (8, 9) umfasst, und bei welcher über mindestens einen Schließdorn (10, 11) Stickstoff (14) in das Werkstück (2) einführbar ist.