DE602004003986T2

DE602004003986T2 - Verfahren zum Umformen von rohrförmigen Werkstücken mit einem segmentierten Werkzeug

Info

Publication number: DE602004003986T2
Application number: DE602004003986T
Authority: DE
Inventors: Jonas Bjuhr; Tomas Nilsson
Original assignee: Sapa Profiler AB
Current assignee: Sapa Profilbockning AB
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: DE602004003986D1; ATE350178T1; EP1466680B1; PL1466680T3; EP1466680A1; SE0301056D0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Formgebung rohrförmiger Werkstücke durch mittels eines Fluids erzugtem Innendruck (d.h. durch Hydroforming) und insbesondere ein segmentiertes Werkzeug für eine solche Formgebung.
HINTERGRUND
Der Hydroforming-Prozess ist in "Hydroforming – Umformen mit Wirkmedien im Automobilbau", Verlag Moderne Industrie, Landsberg 2002, beschrieben. Nach diesem Verfahren wird Rohren die endgültige Gestalt durch Einsetzen in ein Werkzeug erteilt, in dem sie durch Beaufschlagen mit Innendruck mittels eines Fluids aufgeweitet werden. Abhängig von den endgültigen Anforderungen können die Rohre gradlinig oder vorgebogen sein.
Das Hydroformen größer Werkstücke wie seitlicher Karosserieelemente wirft erhebliche Probleme in Folge der Notwendigkeit auf, sehr schwere Werkzeuge handzuhaben, die dabei als Formelemente dienen. Daher werden zuweilen segmentierte Werkzeugeinsätze verwendet, d.h. Werkzeuge aus zwei oder mehr Teilen, die die Handhabung erheblich vereinfachen und bei beschädigtem oder verschlissenem Einsatz das Auswechseln von Einsatzteilen ermöglichen, ohne das gesamte Werkzeug austauschen zu müssen. Um die Segmente in der Solllage zu halten, ist der Werkzeugeinsatz von einem Basisblock umgeben, der relativ zu den segmentierten Einsätzen eng toleriert ist. Der Basisblock kann einteilig oder mit einem Basisteil und an diesem befestigten vertikalen Trägern ausgeführt sein. Der Nachteil dieser Anordnung ist der hohe Kostenaufwand für die Basisblöcke und der Umstand, dass sie noch schwerer und in der Handhabung schwieriger sind als die einteiligen Einsätze.
Die Probleme des Einsatzes großer Werkzeuge verschärfen sich, will man Kleinserien oder Prototypen fertigen; dann muss das Werkzeug oft ausgetauscht werden. Das Problem wird in der Literaturstelle "Innenhochdruck-Umformen für Karosseriekomponenten", 3. Chemnitzer Karosseriekolloquium CBC 2002, Verlag Wissenschaftliche Skripten, Zwickau, Seite 62 diskutiert, wo vorgeschlagen wird, Werkzeuge für Prototypen durch Ausbilden eines Hohlraums direkt in einem einzigen Metallstück herzustellen und zu vereinfachen derart, dass Einsätze entfallen. Dadurch wird jedoch die Handhabung des Werkzeugs nicht vereinfacht und das Werkzeug auch nicht in Teilen auswechselbar.
Der Aufsatz "Hydroforming – Umformen mit Wirkmedien im Automobilbau" erwähnt zwar segmentierte Einsätze, aber immer im Zusammenhang mit Basisblöcken, die ein Trennen der Segmente bei der Formgebung verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein vereinfachtes Werkzeug zum Hydroformen rohrförmiger Werkstücke, mit dem sich die Verwendung sehr großer Werkzeugblöcke verhindern lässt. Die Erfindung ist besonders nützlich in der Kleinserien- oder Prototypenfertigung.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft diese ein Werkzeug mit einem Paar oberer und unterer Werkzeugeinsätze mit offenen axialen Enden, die aufeinandergedrückt zwischen sich einen langgestreckten Hohlraum umschließen. Die oberen und/oder unteren Werkzeugeinsätze sind aus Segmenten zusammengesetzt, die mit der oberen und unteren Grundplatte verschraubt sind. Rückhalteelemente wie bspw. Bolzen sind in Löcher in den Grundplatten eingesetzt, von wo sie durch die Grundplatte weiter in im segmentierten Einsatz ausgebildete Hohlräume hinein vorstehen (bzw. sich vom Einsatz her in Löcher in der Grundplatte erstrecken). Dadurch ist verhindert, dass die Einsatzsegmente sich während der Formgebung bewegen. Zum leichten Einführen in die Hohlräume und enger Toleranz zu diesen haben die Rückhaltelemente normalerweise eine runde oder konische Gestalt, um die Bewegung der Segmente geringstmöglich zu halten. Auf diese Weise können Basisblöcke entfallen.
Um die Werkzeugeinsätze in die Sollage auf der Grundplatte zu bringen, werden Führungssäulen verwendet. Die Führungssäulen sind an die obere Grundplatte angesetzt und verlaufen durch die Grundplatte und den Einsatz hindurch. Durch Absenken des oberen Werkzeugstempels vertikal abwärts zur unteren Grundplatte hin werden die aus der oberen Werkzeughälfte vorstehenden Führungssäulen in Räume in der unteren Einsatzhälfte eingeführt. Die Führungssäulen und die Rückhalteelemente können auch an die Einsätze angesetzt bzw. Teil derselben sein und durch die Grundplatte verlaufen.
Dabei können die Rückhaltelemente als Führungssäulen dienen, oder es können separate Führungssäulen vorgesehen sein. Der Bolzen muss jedoch in dem Loch in der Grundplatte eng toleriert sein, um zu gewährleisten, dass die Einsatzsegmente sich nicht bewegen können.
Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Reibungskraft zwischen der Grundplatte und dem Einsatz hoch genug sein, um eine axiale Bewegung der Segmente zu verhindern; in diesem Fall können die Rückhalteelemente entfallen.
Ein Paar Dorne an den offenen axialen Enden des langgestreckten Hohlraums halten das rohrförmige Werkstück im Hohlraum fest und bilden einen dichten Verschluss der Enden des rohrförmigen Werkstücks. Beim Umformen des Werkstücks wird dessen Werkstoff axial einwärts gedrückt und Hydroforming-Wirkflüssigkeit durch den Dorn in das Werkstück eingeführt, um diesem die endgültige Gestalt zu erteilen. Die Druckbeaufschlagung des Werkstücks kann erfolgen, bevor oder nachdem das Werkzeug den Schließzustand erreicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die sehr großen und schweren Basisblöcke entbehrlich, die in den bisher praktizierten Verfahren ein Grunderfordernis darstellten. Auf diese Weise lassen sich die Produktionszeiten kürzen und die Kosten senken.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines Hydroforming-Werkzeugs nach dem Stand der Technik; und
2 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hydroforming-Werkzeugs.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1 zeigt ein segmentiertes Werkzeug nach dem Stand der Technik. Vertikale Stützen (V), die am Basisblock befestigt sind, verhindern eine Bewegung der Segmente.
In der 2 weist ein Hydroforming-Werkzeug eine Grundplatte (A) und einen segmentierten Einsatz (B) mit Durchgangslöchern für Führungssäulen (C) und Löchern (D) kleineren Durchmessers für die Rückhaltelemente (Bolzen nicht gezeigt) auf. Die Rückhaltelemente sind dicht passend in die Grundplatte eingesetzt, was das Ansetzen der Elemente überflüssig macht. Wie ersichtlich, ist das Werkzeug frei von vertikalen Stützen, die auf die Außenflächen des Einsatzes wirken.
Beim Absenken der oberen Werkzeughälfte gewährleisten die Führungssäulen ein genaues Einführen der Werkzeugteile in ihre Sollposition. Wird die Hydroforming-Flüssigkeit druckbeaufschlagt, wirken hohe Kräfte auf die Werkzeugteile – einige von ihnen in Richtungen, in denen sie beim Fehlen von Gegenkräften die Einsatzsegmente trennen würden. Die Rückhalteelemente – oder evtl. (abhängig von den Abmessungen und der Gestalt des Werkstücks) nur die von dem auf die Werkzeugflächen aufgebrachten hohen Druck verursachte und zwischen der Grundplatte und den segmentierten Einsätzen wirkende Reibungskraft – verhindern ein Trennen der Segmente. Daher besteht keine Notwendigkeit für vertikale Abstützungen, die auf die Außenfläche des Einsatzes wirken.
Die Anzahl der Segmente ist variierbar; üblich sind jedoch mehr als zwei.
Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Hydroformen hohler Werkstücke nach Anspruch 1.
Beispiel 1
Ein Hydroforming-Werkzeug mit einem oberen Stempel und Grundplatten mit einem Paar angesetzter oberer und unterer Werkzeugeinsätze dient zur Formgebung eines rohrförmigen Werkstücks aus extrudiertem Aluminium. Die Einsätze haben offene axiale Enden und umschließen zwischen sich bei geschlossenem Werkzeug einen langgestreckten Hohlraum. Die Einsätze setzen sich jeweils aus mindestens zwei Segmenten zusammen, die auf die Grundplatten aufgeschraubt sind. Rückhalteelemente sind in Löcher in der Grundplatte eingeführt und teilweise durch die Segmente der Einsätze geführt. Führungssäulen, die sich durch die und von den Grundplatten her erstrecken, fahren beim Absenken des oberen Stempels in Hohlräume ein, die in den segmentierten Einsätzen ausgebildet sind.
In den genannten Hohlraum wurde ein rohrförmiges Werkstück eingesetzt und die oberen und unteren Werkzeugeinsätze zusammengeführt, um Teile des Werkstücks zu verformen. Die Enden des rohrförmigen Werkstücks wurden dicht verschlossen und das Werkstück durch einen Zulauf in den Dornen mit Flüssigkeit gefüllt und dabei Werkstückwerkstoff axial einwärts zugeführt.
Sodann wurde durch Erhöhen des Flüssigkeitsdrucks das Werkstückinnere druckbeaufschlagt. Die Hohlräume in der Grundplatte waren gegen die Rückhalteelemente eng toleriert und die Segmentbewegung während des Formgebungsvorgangs daher so gering wie möglich war. Das Werkzeug wurde geöffnet und die geformten Stücke herausgenommen. Auf dem Werkstück ließen sich keine Spuren finden, die angezeigt hätten, dass die Segmente sich bewegt hatten. Nach dem Umformen einer Anzahl von Rohren wurde der Werkzeugeinsatz durch separates Herausnehmen jedes Segments ausgewechselt.
Beispiel 2
Ein Hydroforming-Werkzeug wie im Beispiel 1, aber ohne Rückhalteelemente, dient zum Umformen eines rohrförmigen Werkstücks aus extrudiertem Aluminium. Das rohrförmige Werkstück wird in den Hohlraum eingesetzt, und die oberen und unteren Werkzeugeinsätze werden zusammengeführt, um Teile des Werkstücks zu verformen, und dabei wird Werkstückwerkstoff axial einwärts zugeführt. Mit dem Werkzeugstempel werden 1500 t Druck auf die Werkzeugteile aufgebracht und dann das Werkzeuginnere durch Erhöhen des Flüssigkeitsdrucks auf 1000 Bar beaufschlagt. Das Werkzeug wird geöffnet, und die umgeformten Werkstücke werden herausgenommen. Eine Segmentbewegung war nicht erkennbar.
LEGENDE ZUR FIGURENBESCHRIFTUNG
1

Base block – Basisblock
Base plate – Grundplatte
Insert – Einsatz
Vertical support – vertikale Abstützung

Claims

Verfahren zum Umformen hohler Werkstücke durch Hydroforming, bei dem man ein Paar oberer und unterer Werkzeugeinsätze (B) mit offenen axialen Enden bereitstellt, die zwischen sich einen langgestreckten Hohlraum (E) umschließen, wenn die Werkzeugeinsätze mittels eines Werkzeugstempels in einer Z-Richtung zusammengedrückt werden, wobei die oberen und/oder unteren Werkzeugeinsätze sich jeweils aus mindestens zwei längsgerichteten Segmenten zusammensetzen, die während der Formgebung des Werkstücks eine versperrte Position relativ zu einer Grundplatte (A) einnehmen, und a) ein hohles Werkstück in den Hohlraum einbringt, b) die Enden des hohlen Werkstücks dicht verschließt, c) das Werkstück mit Flüssigkeit füllt, d) das Innere des Werkstücks mit einem Innendruck beaufschlagt, indem man den auf der Flüssigkeit lastenden Druck erhöht, e) die oberen und unteren Einsatz zusammenführt, um zu beliebiger Zeit nach dem Schritt a) Teile des Werkstücks zu verformen, dadurch gekennzeichnet, dass die längsgerichteten Segmente auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite in Berührung mit der Grundplatte (A) stehen und dass eine Bewegung der Segmente in der X- und der Y-Richtung durch andere Mittel als auf die Außenflächen der Einsätze wirkende vertikale Stützen verhindert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung der Segmente durch Rückhalteelemente verhindert ist, die von der Grundplatte (A) weg in Hohlräume für Rückhalteelemente (D) hinein verlaufen, die in den Segmenten auf der dem langgestreckten Hohlraum abgewandten Seite ausgebildet und in der Lage sind, die Rückhalteelemente aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung der Segmente durch Rückhalteelemente verhindert ist, die von den Segmenten weg in Hohlräume für Rückhalteelemente hinein verlaufen, die in der Grundplatte auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite ausgebildet und in der Lage sind, die Rückhalteelemente aufzunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente auf der oberen und der unteren Grundplatte durch Führungssäulen (C) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente Führungssäulen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente hauptsächlich durch zwischen der Grundplatte und dem Einsatz wirkende Reibungskräfte in der versperrten Position gehalten werden.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks durch Hydroforming, das eine obere und eine untere Grundplatte (A) sowie ein Paar oberer und unterer Werkzeugeinsätze (B) mit offenen axialen Enden aufweist, die zwischen sich einen langgestreckten Hohlraum (E) umschließen, wenn die Werkzeugeinsätze mittels eines Werkzeugs in einer Z-Richtung zusammengedrückt werden, wobei die oberen und/oder unteren Werkzeugeinsätze sich jeweils aus längsgerichteten Segmenten zusammensetzen, die eine versperrte Position relativ zur Grundplatte (A) einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente auf dem langgestreckten Hohlraums (E) entgegengesetzten Seiten in Berührung mit der oberen bzw. unteren Grundplatte (A) stehen und dass das Werkzeug frei von von vertikalen Stützen ist, die auf die Außenflächen des Einsatzes wirken, um eine Bewegung desselben in der X- und der Y-Richtung zu verhindern.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Rückhalteelemente vorgesehen sind, die von mindestens einer der Grundplatten weg in Hohlräume für Rückhalteelemente (D) hinein verlaufen, die in den Segmenten auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite ausgebildet und in der Lage sind, die Rückhalteelemente aufzunehmen.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Rückhalteelemente vorgesehen sind, die von mindestens einem der Segmente weg in Hohlräume für Rückhalteelemente (D) hinein verlaufen, die in der Grundplatte auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite ausgebildet und in der Lage sind, die Rückhalteelemente aufzunehmen.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente auf der Grundplatte auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite von Führungssäulen (C) geführt sind, die von den Grundplatten abstehen.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Grundplatten auf den Segmenten auf der dem langgestreckten Hohlraum entgegengesetzten Seite von Führungssäulen (C) geführt sind, die von den Segmenten abstehen.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente Führungssäulen sind.
Werkzeug zum Umformen eines hohlen Werkstücks nach Anspruch 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente in der Gestalt von Bolzen vorliegen.