DE60111935T2

DE60111935T2 - Verfahren zum hydroformen einer rohrförmigen struktur mit unterschiedlichen durchmessern aus einem rohrförmigen rohling, beim magnetimpuls-schweissen

Info

Publication number: DE60111935T2
Application number: DE60111935T
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Gabbianelli; S. Seetarama KOTAGIRI; Richard Ashley
Original assignee: Cosma International Inc
Current assignee: Cosma International Inc
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: DE60111935D1; ATE299408T1; CA2406454A1; WO2001081021A3; AR028029A1; US20020003159A1; MXPA02010588A; AU2001250218A1; CA2406454C; WO2001081021A2; US6474534B2; EP1276570B1; UY26682A1; EP1276570A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Ausbilden eines rohrförmigen Strukturelements durch interne Druckbeaufschlagung des Elements, und insbesondere ein solches Verfahren, wie es auf ein rohrförmiges Strukturelement mit unterschiedlichen Durchmessern angewendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Hydroformverfahren sind allgemein bekannt als Mittel zum Formen eines rohrförmigen Metallrohlings mit einem kreisförmigen Querschnitt, in eine rohrförmige Komponente mit einer vorbestimmten gewünschten Konfiguration. Ein herkömmlicher Hydroformvorgang beinhaltet das Anordnen eines rohrförmigen Metallrohlings mit einem kreisförmigen gleichbleibenden Querschnitt, in einem Presshohlraum eines Hydroformwerkzeugs und Beaufschlagen eines Hochdruckfluids auf den Innenraum des Rohteils, um zu bewirken, dass das Rohteil sich nach außen in Übereinstimmung mit den den Presshohlraum definierenden Flächen erweitert. Typischerweise sind die entgegengesetzten longitudinalen Enden des rohrförmigen Metallrohlings durch hydraulische Schieber abgedichtet, und ein Hochdruckhydroformfluid wird durch einen Anschluss, der in mindestens einem der Schieber ausgebildet ist, beaufschlagt, um den rohrförmigen Rohling zu erweitern.
Die Querschnittsform des resultierenden Strukturelements ist typischerweise erkennbar verschieden von der Querschnittsform des rohrförmigen Rohlings. Zum Beispiel werden üblicherweise kastenförmige oder viereckige Querschnitte aus den zylindrischen rohrförmigen Rohlingen ausgebildet.
Bei Hydroformen mit relativ niedrigem Druck ist das Ausbilden hauptsächlich darauf beschränkt, den rohrförmigen Rohling unter Druck zu setzen, um ihn in Formgleichheit mit einer umgebenden Presse zu bringen, und erzeugt eine geringe Änderung in der Länge eines Teils. Die Länge des ausgebildeten Teils ist im wesentlichen gleich der Länge des rohrförmigen Rohlings. Im allgemeinen wird ein Kompromiss zwischen einem Abschnittsdurchmesser und der lokalen Wandstärke gemacht. Hydroformen vergrößert im allgemeinen den Umfang und verringert die Wandstärke.
Es wird erkannt, dass eine andere Art von Hydroformen mit niedrigem Druck einen extrem hohen Druck verwendet und Teile erzeugt, die kürzer als der rohrförmige Rohling sind, um eine Vergrößerung im Umfang mit wenig oder gar keiner damit verbundenen Verringerung der Wandstärke bereitzustellen. Dies erfordert eine longitudinale Belastung des Rohlings gleichzeitig zu der Druckbeaufschlagung des Rohlings.
Es ist häufig sehr gewünscht, Teile herzustellen, die Wandumfänge aufweisen, die sich lokal entlang der Länge des ausgebildeten Teils um mehr als die bei herkömmlichem Hydroformen zur Verfügung stehende Menge verändern, wie etwa ein rohrförmiges Element mit Änderungen von mehr als 100% im Durchmesser oder Umfang in bezug auf den kleinsten Durchmesser oder Umfang des Elements. Leider eignet sich das Hydroformen eines herkömmlichen rohrförmigen Rohlings aufgrund des übermäßigen Verdünnens der Wandstärke in den Bereichen der größten geforderten Ausdehnung nicht so leicht dafür, ein Teil mit solchen lokalen Veränderungen bereitzustellen.
Die WO 97/00595 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von metallischen Kraftfahrzeugrahmenkomponenten unter Verwendung von Magnetimpulsschweißtechniken. Ein Paar von geschlossenen Kanalstrukturelementen ist separat voneinander unter Verwendung von Hydroformtechniken ausgebildet. Die Endabschnitte der separaten Hydroformelemente sind dann konzentrisch innerhalb einer elektromagnetischen Spule angeordnet, was bewirkt, dass sich die Endabschnitte aufeinander zu bewegen, um zu verschweißen.
Ein Ansatz zum Hydroformen von Teilen, die longitudinal variierenden Dicken- und Umfangsanforderungen genügen, ist, ein zugeschnittenes rohrförmiges Rohteil auszubilden, das einen nicht gleichförmigen Umfang und/oder Dicke aufweist, der bzw. die an das zu hydroformendende Strukturelement angepasst ist, wie in dem US-Patent 5 333 775 offenbart ist. Darin werden rohrförmige Rohlinge, die verschiedene Wandstärken und/oder Umfänge aufweisen, mit herkömmlichen Mitteln zusammengeschweißt, um einen zusammengesetzten rohrförmigen Rohling auszubilden.
In diesem Patent werden zwei rohrförmige Rohlinge mit verschiedenen Durchmessern verbunden, indem zuerst ein Übergangsbereich zwischen ihnen ausgebildet wird, so dass die zwei nächstliegenden Enden aufeinander treffen. Diese Übergangsbereiche bestehen entweder aus einem verjüngten oder einem aufgeweiteten Ende, das an dem Ende von entweder einem oder beiden Rohlingen ausgebildet ist und unter Verwendung von herkömmlichen Rohrformmitteln, wie etwa mit Rohrexpandern, ausgebildet ist. Alternativ kann ein gänzlich separates Rohrteil mit einer kegelstrumpfartigen konischen Form als Übergangsrohlingelement zwischen zwei Rohlingen von verschiedenen Durchmessern verwendet werden. In diesem Fall entspricht der Durchmesser von jedem Ende des Übergangselements dem Ende des rohrförmigen Rohlings, an den es sich anschließt. In beiden Fällen wird herkömmliches Schweißen dazu verwendet, die Rohteile in einem Verhältnis, bei dem Ende an Ende anliegt, zu verbinden. Der resultierende rohrförmige Rohling wird dann hydrogeformt. Die Presse, in der der Rohling angeordnet ist, weist im allgemeinen einen entsprechenden Übergangsdurchmesser zu dem des rohrförmigen Rohlings auf, so dass die Expansion des Umfangs auf ungefähr 5% an jedem Ort entlang einer longitudinalen Achse des Rohlings beschränkt ist.
Das in dem Patent 5 333 775 beschriebene Verfahren benötigt die unbequemen Schritte, zuerst die Enden der Rohlinge unter Verwendung von Rohrexpandern zu verjüngen oder aufzuweiten oder das Einfügen seines separaten, konisch geformten rohrförmigen Rohlings zwischen zwei Rohlingen mit verschiedenen Durchmessern, um einen sie verbindenden Übergangsbereich auszubilden, und dann des mühsamen Zusammenschweißens der Enden auf eine Weise, bei der Ende an Ende anliegt. Während ein Ende-an-Ende-Schweißen für gewisse Anwendungen geeignet sein kann, kann es nicht optimal für anspruchsvollere Hydroformanforderungen sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die mit dem voranstehend benannten Stand der Technik verknüpften Probleme zu überwinden. Beim Erreichen dieses Ziels stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Hydroformen eines rohrförmigen Teils nach Anspruch 1 be reit, das die Schritte des Bereitstellens eines ersten rohrförmigen Elements mit einem ersten Durchmesser, des Bereitstellens eines zweiten rohrförmigen Elements mit einem zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser des ersten rohrförmigen Elements, des Anordnens des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements, so dass ein erster Bereich des ersten rohrförmigen Elements teleskopartig innerhalb eines zweiten Bereichs des zweiten rohrförmigen Elements angeordnet ist, und so dass der erste und der zweite Bereich in axial überlappender Lage zueinander angeordnet sind, des Anlegens eines elektromagnetischen Pulses von ausreichender Stärke in einer Umgebung der sich überlappenden ersten und zweiten Bereiche des ersten und des zweiten Element, um den ersten und den zweiten Bereich schnell in umfangsgeschweißten Eingriff miteinander zu bringen, um eine geschweißte rohrförmige Anordnung auszubilden, des Platzierens der geschweißten rohrförmigen Anordnung in einem Presswerkzeug zum Hydroformen, und des Hydroformens der geschweißten rohrförmigen Anordnung, um die geschweißte rohrförmige Anordnung nach außen in Übereinstimmung mit Pressflächen des Presswerkzeugs zum Hydroformen zu erweitern.
Der elektromagnetische Puls kann entweder von außerhalb der rohrförmigen Baugruppe aufgebracht werden, in diesem Fall wird das zweite rohrförmige Element dazu gebracht, sich einwärts und in geschweißten Kontakt mit dem ersten rohrförmigen Element zu begeben, oder der elektromagnetische Puls kann aus dem Inneren der rohrförmigen Baugruppe aufgebracht werden, in diesem Fall wird das erste innere rohrförmige Element dazu gebracht, sich nach außen und in geschweißten Kontakt mit dem zweiten rohrförmigen Element zu begeben. Alternativ können sowohl das erste als auch das zweite Element aufeinander zu bewegt werden.
Eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Hydroformen eines rohrförmigen Teils bereit, mit den folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines ersten rohrförmigen Elements mit einem ersten Durchmesser, wobei das Ende des ersten rohrförmigen Elements eine Stirnfläche aufweist,
– Bereitstellen eines zweiten rohrförmigen Elements mit einem zweiten Durchmesser, der ungefähr gleich dem ersten Durchmesser des ersten rohrförmigen Elements ist, wobei das Ende des zweiten rohrförmigen Elements eine Stirnfläche aufweist,
– Bereitstellen einer abgeschrägten Fläche an der Stirnseite des ersten rohrförmigen Elements, wobei die abgeschrägte Fläche in bezug auf die Längsachse des ersten rohrförmigen Elements an einem stumpfen Winkel steht,
– Bereitstellen einer abgeschrägten Fläche an einer Stirnseite des zweiten rohrförmigen Elements gegenüber der abgeschrägten Fläche einer Stirnseite des ersten rohrförmigen Elements,
– In-Kontakt-Bringen der abgeschrägten Flächen des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements, wodurch ein Kontaktbereich definiert wird,
– Anlegen eines elektromagnetischen Pulses von ausreichender Stärke in einer Umgebung der Kontaktregion, um die abgeschrägten Flächen des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements schneller in geschweißten Eingriff miteinander zu bringen, um eine geschweißte rohrförmige Anordnung bereitzustellen,
– Platzieren der geschweißten rohrförmigen Anordnung in ein Presswerkzeug zum Hydroformen, und
– Hydroformen der geschweißten rohrförmigen Struktur, um die geschweißte rohrförmige Struktur nach außen in Übereinstimmung mit den Pressflächen des Presswerkzeugs zum Hydroformen zu erweitern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des voranstehenden Verfahrens wird der elektromagnetische Puls von einem Gebiet außerhalb des zweiten rohrförmigen Elements angelegt, um die angeschrägte Fläche an dem zweiten rohrförmigen Element nach innen in Richtung der angeschrägten Fläche des ersten rohrförmigen Elements und in geschweißten Eingriff mit diesem zu bringen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des voranstehenden Verfahrens, wird der elektromagnetische Puls aus einem Gebiet innerhalb des ersten rohrförmigen Elements angelegt, um die angeschrägte Fläche des ersten rohrförmigen Elements nach außen in Richtung der angeschrägten Fläche des zweiten rohrförmigen Elements und in geschweißten Eingriff mit diesem zu bringen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des voranstehenden Verfahrens wird eine interne Pressstruktur innerhalb des ersten rohrförmigen Elements in dem Kontaktbereich angeordnet, um dem ersten rohrförmigen Element eine innere Stützung bereitzustellen, wenn die angeschrägte Oberfläche des zweiten rohrförmigen Elements in geschweißten Eingriff mit der angeschrägten Oberfläche des ersten rohrförmigen Elements gebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des voranstehenden Verfahrens wird eine externe Pressstruktur außerhalb des Kontaktgebiets angeordnet, um eine äußere Stützung für das zweite rohrförmige Element bereitzustellen, wenn die angeschrägte Fläche des ersten rohrförmigen Elements in geschweißten Eingriff mit der angeschrägten Fläche des zweiten rohrförmigen Elements gebracht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine longitudinale Querschnittsansicht von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei rohrförmige Rohlinge von verschiedenen Durchmessern elektromagnetisch durch die auf der Außenseite des rohrförmigen Rohlings mit dem größeren Durchmesser angeordnete Schweißvorrichtung zu schweißen sind.
2 ist eine longitudinale Querschnittsansicht eines zusammengesetzten rohrförmigen Rohlings, der durch das in 1 dargestellte Werkzeug ausgebildet ist.
3 zeigt eine längliche Querschnittsansicht einer weiteren Auführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei rohrförmige Rohlinge von verschiedenen Durchmessern elektromagnetisch durch die auf der Innenseite des rohrförmigen Rohlings mit dem kleineren Durchmesser angeordnete Schweißvorrichtung zu schweißen sind.
4 ist eine longitudinale Querschnittsansicht eines zusammengesetzten rohrförmigen Rohlings, der durch das in 3 dargestellte Werkzeug ausgebildet ist.
5 ist eine longitudinale Querschnittsansicht eines zusammengesetzten rohrförmigen Rohelements, das durch eine Kombination der elektromagnetischen Schweißvorgänge in den 1 und 3 ausgebildet ist, und eine schematische Abbildung des Hydroform-Presshohlraums, in dem das rohrförmige Rohelement angeordnet ist.
6 zeigt das hydrogeformte Strukturelement des rohrförmigen Rohlings in 5.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Magnetimpulsschweißen wurde aus einer Technik entwickelt, bei der ein metallisches Werkstück unter Verwendung eines Magnetpulses geformt wird, bekannt als gepulstes Magnetformen (PMF: pulsed magnetic forming). PMF ist ein Vorgang, bei dem ein metallisches Werkstück oder ein Abschnitt davon durch ein gepulstes Magnetfeld in eine plötzliche Bewegung gebracht wird, was bewirkt, dass sich das Werkstück deformiert. Ein Vorteil des PMF-Vorgangs liegt darin, dass die spezifische Wärme in diesem Vorgang minimal ist, und infolgedessen gibt es keine oder nur sehr geringe Erwärmung des Werkstücks.
Der PMF-Vorgang verwendet eine Kondensatorbank, eine Formmagnetspule und häufig einen Feldformer zum Erzeugen eines starken Magnetfeldes. Das für den PMF-Vorgang erforderliche, sehr starke Magnetfeld wird durch eine schnelle Entladung elektrischer Energie, die in der Kondensatorbank gespeichert ist, in die Magnetspule erzeugt. Die resultierenden Wirbelströme, die in dem Werkstück induziert sind, ergeben eine magnetische Abstoßung zwischen dem Werkstück und der Formspule, und da die Formspule fest in ihrer Position gestützt ist, bewirkt die Abstoßung, dass sich das Werkstück deformiert.
Wenn sich die Werkstückoberfläche unter dem Einfluss der Abstoßungskräfte bewegt, absorbiert sie Energie von dem magnetischen Feld. Um das meiste der verfügbaren Energie zum Formen anzuwenden und die Energieverluste aufgrund der Permeation bzw. der Durchdringung von Energie in dem Werkstückmaterial zu verringern (was eine Energieverschwendung aufgrund von Widerstandserwärmung bewirkt), ist der formende Magnetimpuls dazu ausgelegt, sehr kurz zu sein. Bei den meisten PMF-Anwendungen haben die Pulse eine Dauer zwischen ungefähr 10 bis ungefähr 250 mu. sec. (Dauer der ersten Welle des Entladungsstroms).
Das US-Patent 5 824 998, das hiermit unter Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart das Verfahren der Verwendung von PMF, um zwei oder mehr Werkstücke miteinander zu verbinden oder zu schweißen. Magnetimpulsschweißen (EPW: electromagnetic pulse welding) wird erlangt, indem bewirkt wird, dass sich eine Oberfläche eines ersten der zwei Werkstücke schnell in Richtung einer Oberfläche des anderen Werkstücks durch Mittel einer gepulsten Magnetkraft bewegt, und indem die Bedingungen so kontrolliert werden, dass nachdem die entsprechende Oberfläche des ersten Werkstücks mit der entsprechenden Oberfläche des zweiten Werkstücks aufeinandertrifft, die zwei Oberflächen verbunden oder miteinander verschweißt werden. Die magnetische Energie kann so kontrolliert werden, dass die Geschwindigkeit des sich bewegenden Werkstücks eine kinetische Energie auf dieses Werkstück ausübt, bevor es mit dem zweiten Werkstück aufeinandertrifft, die größer als die Summe der plastischen Verformungsenergie des ersten, sich bewegenden Werkstücks und der elastischen Verformungsenergie des zweiten stillstehenden Werkstücks nach dem Auftreffen ist.
Mit Magnetimpulsschweißen wird der Endabschnitt eines größeren Rohteils zusammengezogen und in Kontakt mit dem Außendurchmesser eines kleineren Rohlings durch plastische Deformation des Endabschnitts des größeren Rohlings gebracht. Oder umgekehrt, der Endabschnitt eines kleineren Rohlings wird erweitert und in Kontakt mit dem Innendurchmesser eines größeren Rohlings durch plastische Deformation des Endabschnitts des kleineren Rohlings gebracht. Beim Auftreffen tritt ein Verschweißen der zwei Oberflächen auf. Die plastische Deformation wird durch die auf das Ende des Rohlings durch den Elektromagneten aufgebrachte Kraft bewirkt, die als Teil des elektromagnetischen Schweißvorgangs auftritt. Daher schließt Magnetimpulsschweißen den Bedarf dazu aus, die Enden der rohrförmigen Rohlinge unter Verwendung herkömmlicher Rohrexpander zu verjüngen oder aufzuweiten, oder einen rohrförmigen Rohling mit konischer Form zwischen zwei Rohlingen mit verschiedenen Durchmessern bereitzustellen, um ein diese verbindenden Übergangsbereich auszubilden.
Mit Blick auf die Figuren, ist in 1 (in longitudinalem Querschnitt) eine Baugruppe von zwei rohrförmigen Rohlingen mit verschiedenen Durchmessern abgebildet, die auf eine Weise angeordnet sind, um elektromagnetisch zusammengeschweißt zu werden. In der dargestellten Ausführungsform weist der rohrförmige Rohling 30 einen größeren Durchmesser als der rohrförmige Rohling 32 auf. Die Wandstärken der Rohlinge 30 bis 32, t2 bzw. t1, können ebenfalls voneinander abweichen. Wie dargestellt ist, ist der Rohling 32 teleskopartig innerhalb des Rohlings 30 angeordnet, wodurch ein überlappender Bereich 36 am Rohling 32 und ein überlap pender Bereich 34 am Rohling 30 erzeugt wird, die miteinander zu verschweißen sind.
Die elektromagnetische Pulsvorrichtung, allgemein mit 20 bezeichnet, umfasst eine Formspule 22, die aus einer Mehrzahl von Windungen besteht, die voneinander durch ein isolierendes Material 24 getrennt sind. Die Vorrichtung kann ebenfalls einen Feldformer 26 umfassen, um das Feld zu dem Schweißbereich 34 und 36 zu lenken. Als ein Ergebnis der Anwendung der gepulsten elektromagnetischen Kraft, resultiert ein starker Magnetdruck in dem Lumen 28 des Feldformers, und als ein Ergebnis wird das zylindrische Ende 34 des Rohlings 30 innerhalb des Lumens per plastischer Deformation schnell verengt und in geschweißten Eingriff beim Aufeinandertreffen mit dem überlappenden Bereich 36 gebracht.
Ein Einsatz 38 ist bereitgestellt, der einen ersten Abschnitt 40 aufweist, der einen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des rohrförmigen Rohlings 30 aufweist, und einen zweiten Abschnitt 42 aufweist, die einen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des rohrförmigen Rohlings 32 aufweist. Der Einsatz 38 hat verschiedene Funktionen: eine davon ist, eine passende gegenseitige Anordnung der zwei rohrförmigen Rohlinge sicherzustellen, eine weitere ist, sicherzustellen, dass beim Aufbringen einer gepulsten magnetischen Kraft sich nur Abschnitt 34 des rohrförmigen Rohlings 30 bewegt und verengt, und eine weitere Funktion ist, den Abschnitt 36 zu stützen, um sicherzustellen, dass das Verschweißen zwischen den zwei Abschnitten auftritt.
Der Einsatz 38 sollte aus einem geeigneten Material hergestellt sein, das selbst nicht mit dem rohrförmigen Abschnitt 36 verschweißt, wenn es von dem rohrförmigen Abschnitt 34 berührt wird. Ein geeignetes Material für den Einsatz 38 ist deswegen Holz, Hartkunststoff, hitzebeständiger Kunststoff, Keramik oder ein genügend hartes Metall (vorzugsweise Stahl), das eine genügend hohe Fließgrenze über den röhrförmigen Rohlinge 30, 32 aufweist, so dass der Einsatz 38 beim Auftreffen auf den rohrförmigen Abschnitt 34 nicht wesentlich fließt.
Eine Stützung der inneren Wände eines rohrförmigen Rohlings während des Auftreffens durch einen externen rohrförmigen Rohling kann ebenfalls durch eine Vielzahl anderer Mittel erreicht werden. Diese umfassen z.B. das Füllen des gesamten Zylinders mit einer nicht kompressiblen Flüssigkeit wie etwa Wasser, das Einführen einer magnetischen Flüssigkeit wie etwa Quecksilber in das Rohr, Öl mit verteilten Metallpartikeln, usw., und vor dem PMF dann das Aufbringen eines konstanten Magnetfelds, um die magnetische Flüssigkeit in einem Abschnitt zu konzentrieren, in dem die Stützung benötigt ist; durch Mittel von Eis, das in einem entsprechenden Abschnitt gefroren ist, usw. Solche Lösungen zur Stützung werden bspw. benötigt, wenn ein interner Zylinder lang ist und es daher nicht möglich ist, einen Einsatz einzuführen, wie er in 1 dargestellt ist.
Der resultierende Rohling 44, der durch die Baugruppe in 1 hergestellt ist, ist in 2 dargestellt. Hier ist die Verschweißung 46 durch Magnetimpulsschweißen hergestellt, um die Rohlinge 32 und 30 zu verbinden. Es wird von dem Fachmann verstanden, dass der voranstehende Vorgang an jedem Ende des Rohlings 44 wiederholt werden kann, um einen dritten Rohling anzubringen. Der Vorgang kann dann an jedem Ende dieser drei Rohlingteile wieder ausgeführt werden, um einen vierten Rohling anzubringen, usw. Der rotierende rohrförmige Rohling kann dann in einer Presse zum Hydroformen angeordnet werden, wie in Kürze beschrieben wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt. Hier ist der rohrförmige Rohling 52 teleskopartig innerhalb des rohrförmigen Rohlings 54 angeordnet, wobei einander überlappende Bereiche 56 bzw. 58 erzeugt werden, die elektromagnetisch zusammenzuschweißen sind. Die elektromagnetische Pulsvorrichtung 50 ist eher an der Innenseite des rohrförmigen Rohlings 52 als an der Außenseite des Rohlings mit dem größeren Durchmesser, wie in 1 dargestellt ist, angeordnet. Auf diese Art bewegt sich der Abstand 56 während des Aufbringens der gepulsten elektromagnetischen Kraft schnell auswärts in Richtung des Ausschnitts 58 und verschweißt sich beim Auftreffen damit.
Wie in 3 dargestellt ist, ist der Einsatz 60 an der Außenseite des Rohlings 54 angeordnet. Der Rohling 60 beinhaltet einen Bereich 62, der einen Durchmesser des rohrförmigen Rohlings 54 aufweist, und einen Bereich 64, der gleich dem Außendurchmesser des rohrförmigen Rohlings 52 ist. Der Zweck des Einsatz 60 ist derselbe, wie der in der Ausführungsform in 1 beschriebene. Die elektromagnetische Pulsvorrichtung, wie in 1, umfasst eine Formspule 72, die aus einer Mehrzahl von Windungen besteht, die voneinander durch ein isolierendes Material 74 getrennt sind. Die Vorrichtung kann ebenfalls einen Feldformer 76 umfassen, um das Feld zu dem Schweißbereich 56 und 58 zu lenken. Als Ergebnis der Anwendung der gepulsten elektromagnetischen Kraft wird ein starker magnetischer Druck in dem Lumen 78 des Feldformers resultieren und als Ergebnis wird das zylindrische Ende 56 des Rohlings 52 innerhalb des Lumens aufgrund plastischer Deformation schnell expandiert und beim Auftreffen in geschweißten Eingriff mit dem überlappenden Abschnitt 58 gebracht.
Der resultierende rohrförmige Rohling 80, der aus der Baugruppe in 3 hergestellt ist, ist in 4 dargestellt. Hier wurde die Schweißnaht 82 durch Magnetimpulsschweißen hergestellt, um die Rohlinge 54 und 52 zu verbinden. Es wird durch den Fachmann verstanden, dass der voranstehende Vorgang, wie in der Ausführungsform in 2, an jedem Ende des Rohlings 80 wiederholt werden kann, um einen dritten Rohling und einen vierten Rohling, usw. anzubringen.
Es wird durch den Fachmann ebenfalls verstanden, dass der resultierende Rohling aus einer Kombination der zwei in den 2 und 4 dargestellten Ausführungsformen bestehen kann. Das bedeutet, dass zwei Rohlinge durch die Ausführungsform in 1 verbunden werden können, bei der der Außenabschnitt des Rohlings mit einem größeren Durchmesser einwärts gebracht wird. Dieser resultierende Rohling kann dann mit einem dritten rohrförmigen Rohling unter Verwendung der Ausführungsform in 3 verbunden werden, bei der der Innenabschnitt des Rohlings mit dem kleineren Durchmesser nach außen gebracht wird. Dieser resultierende Rohling kann dann mittels beider Verfahren mit einem vierten Rohling verbunden werden, usw. Solch eine Kombination 90 von rohrförmigen Rohlingen ist in 5 abgebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein rohrförmiger Rohling, der gemäß 1 oder 3 oder irgendeiner Kombination davon (siehe z.B. den kombinierten Rohling 90 in 5) hergestellt ist, dann hydrogeformt. Zum Beispiel wird der rohrförmige Rohling 90, wie in 5 dargestellt ist, in einer Presse 94 zum Hydroformen angeordnet. Wie aus 5 erkannt werden kann, wurde der zusammengesetzte rohrförmige Rohling 90 so zugeschnitten, dass seine äußere Konfiguration im Vergleich zu einem herkömmlichen, im Querschnitt gleichförmigen Rohling genauer der Form der Pressformhöhle 98 der Presse 94 entspricht. Zum Beispiel sind die Abschnitte von größerem Volumen (und Querschnittsbereiche) der Pressformhöhle 98 im allgemeinen zu den Abschnitten von größerem Durchmesser des zusammengesetzten Rohlings ausgerichtet, und die kleineren Abschnitte der Pressformhöhle 98 sind im allgemeinen zu den schmaleren Abschnitten des zusammengesetzten Rohlings ausgerichtet. Die Erfindung wird im weiteren mit Bezug auf den zusammengesetzten Rohling 90 beschrieben, obwohl verstanden werden soll, dass jeglicher Rohling, der gemäß der voranstehenden Offenbarung ausgebildet wurde, verwendet werden kann. Wie dargestellt ist, wird der Rohling 90 in einer Hydroformmaschine zwischen einer ersten Presssektion 94 und einer mit dieser zusammenwirkenden Presssektion 96 angeordnet. Diese zusammenwirkenden Presektionen 94, 96 weisen entsprechende Pressflächen 95, 97 auf, die, wenn sie zusammen bewegt werden, die longitudinale Pressformhöhle 98 definieren. Die offenen Enden 99, 100 des rohrförmigen Rohlings 90 befinden sich im Eingriff mit und sind abgedichtet durch herkömmliche Hydroformschieber. Die zusammenwirkenden Presssektionen 94, 96 werden dann zusammengepresst, um den Rohling 90 in der Pressformhöhle 98 zu schließen und der Rohling wird mit Hydroformfluid gefüllt.
Der Druck des hydraulischen Fluids innerhalb des rohrförmigen Rohlings 90 wird auf ein genügendes Niveau erhöht, um den Rohling 90 dazuzubringen, in Formgleichheit mit den Flächen 95, 97, die die Pressformhöhle 98 definieren, zu expandieren. Während dieses Vorgangs werden die Schieber, die in die entgegengesetzten Enden 99, 100 des Rohlings 90 eingreifen, einwärts aufeinanderzugebracht, um die Wandstärke des Rohrs 90 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (ungefähr ±10% des Originalrohlings) zu halten. Als Ergebnis wird ein gewünschtes rohrförmiges Strukturelement 105 ausgebildet, wie in 6 dargestellt ist. Das Strukturelement wird dann entspannt und das Hydroformfluid abgeleitet. Die Presssektionen 94, 96 werden voneinander getrennt, was ermöglicht, das ausgebildete rohrförmige Strukturelement aus der Presse 98 zu entfernen. Eine zur Verwendung bei diesem Vorgang geeignete Hydroform-Ausstattung wird in dem US-Patent Nr. 5,987,950 beschrieben, die dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Es soll durch den Fachmann erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung in Erwägung zieht, dass zwei rohrförmige Rohlinge, die zusammen magnetimpulsgeschweißt werden, verschiedene Wandstärken genauso wie verschiedene Durchmesser aufweisen können. Außerdem kann der Innendurchmesser des größeren rohrförmigen Rohlings nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des kleineren rohrförmigen Rohlings sein, daher kann der radiale Abstand zwischen den Rohlingen 30 and 32 in den Abschnitten 34 und 36 in 1 zwischen den Rohlingen 54 und 52 in den Abschnitten 58 und 56 in 3 unerheblich sein.
Es wird des weiteren erkannt, dass die Pressflächen 95 und 97, die die Pressformhöhle 98 definieren, die in 5 abgebildet ist, andere Querschnittsformen als kreisförmige aufweisen können, wie etwa ovale, rechteckige, dreieckige, usw., abhängig von der gewünschten Form des auszubildenden Teils. Für viele Automobilrahmenanwendungen sind z.B. rohrförmige Teile gewünscht, die einen viereckigen oder dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Es soll des weiteren erkannt werden, dass die voranstehende detaillierte Beschreibung und die anliegenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform lediglich veranschaulichender Natur sind, und dass die vorliegende Er findung alle anderen Ausführungsformen umfasst, die innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche liegen.

Claims

Verfahren zum Hydroformen eines rohrförmigen Teils (44), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten rohrförmigen Elements (32) mit einem ersten Durchmesser, Bereitstellen eines zweiten rohrförmigen Elements (30) mit einem zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser des ersten rohrförmigen Elements, Durchführen einer relativen Bewegung zwischen dem ersten rohrförmigen Element (32) und dem zweiten rohrförmigen Element (30), so dass ein erster Bereich (36) des ersten rohrförmigen Elements (32) teleskopartig innerhalb eines zweiten Bereichs (34) des zweiten rohrförmigen Elements (30) angeordnet ist, und so dass der erste und der zweite Bereich (36, 34) in axial überlappender Lage zueinander angeordnet sind, Anlegen eines elektromagnetischen Pulses von ausreichender Stärke in einer Umgebung der sich überlappenden ersten und zweiten Bereiche (36, 34) des ersten und des zweiten Elements (32, 30), um den ersten und den zweiten Bereich schnell in umfangsgeschweißten Eingriff miteinander zu bringen, um eine geschweißte rohrförmige Anordnung auszubilden, Plazieren der geschweißten rohrförmigen Anordnung (90) in ein Presswerkzeug zum Hydroformen (94, 96), und Hydroformen der geschweißten rohrförmigen Anordnung (90), um die geschweißte rohrförmige Anordnung nach außen in Übereinstimmung mit Pressflächen (95, 97) des Presswerkzeugs zum Hydroformen (94, 96) zu erweitern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der elektromagnetische Puls aus einem Gebiet außerhalb des zweiten rohrförmigen Elements (30) angelegt wird, um den zweiten Bereich (34) des zweiten rohrförmigen Elements (30) nach innen in Richtung der Achsen des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements (32, 30) und in geschweißten Eingriff mit dem ersten Bereich (34) des ersten rohrförmigen Elements (32) zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der elektromagnetische Puls von einem Gebiet innerhalb des ersten rohrförmigen Elements (32) angelegt wird, um den ersten Bereich (34) des ersten rohrförmigen Elements (32) nach außen weg von den Achsen des ersten und zweiten rohrförmigen Elements (32, 30) und in geschweißten Eingriff mit dem zweiten rohrförmigen Element (30) zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren ein Biegen der geschweißten rohrförmigen Struktur (90) umfasst, bevor darin Fluiddruck angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine innere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (38) innerhalb des ersten rohrförmigen Elements (32) an den sich überlappenden ersten und zweiten Bereichen (36, 34) angeordnet ist, um eine innere Stützung für den ersten Bereich (36) des ersten rohrförmigen Elements (32) bereitzustellen, wenn der zweite Bereich (34) des zweiten rohrförmigen Elements (30) in geschweißten Eingriff mit dem ersten Bereich (36) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine äußere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (38) außerhalb des zweiten rohrförmigen Elements (30) an den sich überlappenden ersten und zweiten Bereichen (36, 34) angeordnet ist, um eine äußere Stützung für den zweiten Bereich (34) des zweiten rohrförmigen Elements (90) bereitzustellen, wenn der erste Bereich (36) in geschweißten Eingriff mit dem zweiten Bereich (34) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste rohrförmige Element (32) mit einer Wandstärke t1 versehen ist und das zweite rohrförmige Element (30) mit einer Wandstärke t2 versehen ist, wobei t1 nicht gleich t2 ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem t2 gleich t1 ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die innere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (38) mit einem ersten Abschnitt (42) versehen ist, der einen Durchmesser aufweist, der gleich dem Durchmesser des ersten Bereichs (36) des ersten rohrförmigen Elements (32) ist, und mit einem zweiten Abschnitt (40) versehen ist, der einen zweiten Durchmesser aufweist, der gleich dem inneren Durchmesser des zweiten rohrförmigen Elements (30) ist, so dass eine innere Stützung für das zweite rohrförmige Element (30) neben dem zweiten Bereich (34) bereitgestellt wird, wenn die elektromagnetische Pulskraft angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die äußere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (60) mit einem ersten Bereich (62) versehen ist, der gleich dem äußeren Durchmesser des zweiten rohrförmigen Elements (30) ist, und mit einem zweiten Bereich (64) versehen ist, der einen Durchmesser aufweist, der gleich dem äußeren Durchmesser des ersten rohrförmigen Elements (32) ist, so dass eine äußere Stützung für das erste rohrförmige Element (32) neben dem ersten Bereich (36) bereitgestellt wird, wenn der elektromagnetische Puls angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die innere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (38) aus einem Material bereitgestellt ist, das sich nicht mit dem rohrförmigen Element, mit dem es in Kontakt steht, verschweißen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die äußere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (60) aus einem Material bereitgestellt ist, das sich nicht mit dem rohrförmigen Element, mit dem es in Kontakt steht, verschweißen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die innere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (38) aus einem Material bereitgestellt ist, das aus Holz, wärmehärtendem Kunststoff, Keramik oder einem hochfesten Stahl mit einer Formänderungsfestigkeit, die größer als die des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements ist, hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die äußere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung (60) aus einem Material bereitgestellt ist, das aus Holz, wärmehärtendem Kunststoff, Keramik oder einem hochfesten Stahl mit einer Formänderungsfestigkeit, die größer als die des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements ist, hergestellt ist.
Verfahren zum Hydroformen eines rohrförmigen Teils (90), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten rohrförmigen Elements (32) mit einem ersten Durchmesser, wobei das Ende des ersten rohrförmigen Elements eine Stirnfläche aufweist, Bereitstellen eines zweiten rohrförmigen Elements (30) mit einem zweiten Durchmesser, der ungefähr gleich dem ersten Durchmesser des ersten rohrförmigen Elements ist, wobei das Ende des zweiten rohrförmigen Elements eine Stirnfläche aufweist, Bereitstellen einer abgeschrägten Fläche an der Stirnseite des ersten rohrförmigen Elements, wobei die abgeschrägte Fläche in Bezug auf die Längsachse des ersten rohrförmigen Elements in einem stumpfen Winkel steht, Bereitstellen einer abgeschrägten Fläche an der Stirnseite des zweiten rohrförmigen Elements gegenseitig gegenüber der abgeschrägten Fläche an der Stirnseite des ersten rohrförmigen Elements, In-Kontakt-Bringen der abgeschrägten Flächen des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements, wodurch ein Kontaktbereich definiert wird, Anlegen eines elektromagnetischen Pulses von ausreichender Stärke in einer Umgebung der Kontaktregion, um die abgeschrägten Flächen des ersten und des zweiten rohrförmigen Elements schnell in geschweißten Eingriff miteinander zu bringen, um eine geschweißte rohrförmige Anordnung bereitzustellen, Plazieren der geschweißten rohrförmigen Anordnung in ein Presswerkzeug zum Hydroformen (94, 96) und Hydroformen der geschweißten rohrförmigen Struktur, um die geschweißte rohrförmige Struktur nach außen in Übereinstimmung mit den Pressflächen (95, 97) des Presswerkzeugs zum Hydroformen zu erweitern.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der elektromagnetische Puls von einem Gebiet außerhalb des zweiten rohrförmigen Elements angelegt wird, um die angeschrägte Fläche an dem zweiten rohrförmigen Element nach innen in Richtung der angeschrägten Fläche des ersten rohrförmigen Elements und in geschweißten Eingriff mit diesem zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der elektromagnetische Puls aus einem Gebiet innerhalb des ersten rohrförmigen Elements angelegt wird, um die angeschrägte Fläche des ersten rohrförmigen Elements nach außen in Richtung der angeschrägten Fläche des zweiten rohrförmigen Elements und in geschweißten Eingriff mit diesem zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem eine innere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung innerhalb des ersten rohrförmigen Elements in dem Kontaktbereich angeordnet ist, um eine innere Stützung für das erste rohrförmige Element bereitzustellen, wenn die angeschrägte Fläche des zweiten rohrförmigen Elements in geschweißten Eingriff mit der angeschrägten Fläche des ersten rohrförmigen Elements gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem eine äußere Matrizen- bzw. Gesenkanordnung außerhalb des Kontaktgebiets angeordnet ist, um eine äußere Stützung für das zweite rohrförmige Element bereitzustellen, wenn die angeschrägte Fläche des ersten rohrförmigen Elements in geschweißten Eingriff mit der angeschrägten Fläche des zweiten rohrförmigen Elements gebracht wird.