EP0484789B1 - Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0484789B1
EP0484789B1 EP91118373A EP91118373A EP0484789B1 EP 0484789 B1 EP0484789 B1 EP 0484789B1 EP 91118373 A EP91118373 A EP 91118373A EP 91118373 A EP91118373 A EP 91118373A EP 0484789 B1 EP0484789 B1 EP 0484789B1
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shaped area
die
ram
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Horst Dipl.-Ing. Lindner
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Audi AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/021—Deforming sheet bodies
    • B21D26/023—Deforming sheet bodies including an additional treatment performed by fluid pressure, e.g. perforating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/10—Stamping using yieldable or resilient pads
    • B21D22/105—Stamping using yieldable or resilient pads of tubular products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D28/00—Shaping by press-cutting; Perforating
    • B21D28/007—Explosive cutting or perforating

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an opening in the wall of a workpiece designed as a hollow body and to a tool for carrying out the method according to the preamble of claim 3.
  • the object of the invention is to expand these possible uses of the latter production method.
  • the method according to the invention is used during the forming of the workpiece using the internal high-pressure method (claim 2).
  • the hydroforming process is preferably used for the production of differently shaped hollow parts and is a material-saving process that meets the requirements of a resource-saving manufacturing technology.
  • the operation of this forming process is such that a blank workpiece is placed in a mold, subjected to high internal pressure with the aid of a suitable hydraulic fluid and is formed while simultaneously applying axial pressure to the tube wall. Axial pressure and internal pressure cause the workpiece blank to lie against the inner contour of the mold.
  • the material is brought into the plastic state, which is maintained during the entire forming process, taking material hardening and any tool forces into account.
  • a particularly suitable tool for carrying out the method according to the invention is based on tools as described in "expanding tubes by internal high pressure forming", sheet metal tube profiles, volume 35, no. 3, March 1988, page 175, image 2 3 specified.
  • the tool has both a sharp cutting edge and "braking contours" in the edge region of a formation, the latter having the task of specifically preventing the material in the region of the cutting edge from flowing again, a defined predetermined breaking line is reliably formed in an advantageous manner.
  • a support surface which is preferably arranged centrally in the formation, as described in claim 4, limits the material stretch in the inner region of the workpiece wall to be cut out and at the same time increases the material stretch in the cantilever region.
  • the cut-out workpiece wall which may still be stuck in the formation, can be pressed out after the opening has been made.
  • Fig. 1 shows the latter method in schematic form.
  • a workpiece 1 designed as a tube is opened (distance a o )
  • Tool 2 which is composed of upper and lower tool 2.1, 2.2 and is also moved during the forming process, is inserted.
  • a cavity 3 of the workpiece 1 is filled with a liquid active medium via an inflow opening 4.
  • the forming takes place, during which the upper and lower tools 2.1, 2.2 move towards one another with an axial force F a, with the simultaneous effect of an internal pressure p i generated by the active medium, until the desired expansion shape is achieved in the workpiece 1.
  • the internal pressure p i is to be selected as a function of, in particular, the material and wall thickness of the workpiece 1.
  • Reference number X identifies that tool area in which an opening is made in the manner according to the invention during the forming process. Further details can be found in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a section of the lower tool 2.2, which has on its inner wall surface 5 a shape 6 corresponding to the contour (for example rotationally symmetrical) of the desired workpiece opening.
  • a plunger 8 which can be acted upon by pressure force F s, projects through a bore 7 in the lower tool 2.2 into the formation 6, its end face 9 (with a rounded peripheral edge) serving as a support surface for the workpiece 1 during the manufacture of the opening.
  • the end face 9 limits the material stretch in this area and at the same time increases the material stretch in the cantilevered area of the formation 6.
  • a peripheral edge 10 of the formation 6 is sharp-edged (90 °) and serves as a cutting edge. Furthermore, near this edge 10, the inner wall surface 5 of the lower tool 2.2 is also equipped with circumferential serrated elevations 13, which act as braking contours and are intended to prevent the workpiece material from tiling in order to tear the workpiece wall along the cutting edge (edge 10) when it reaches one to favor certain internal pressure P i .
  • a ratio of d / D 1/3 should be maintained with regard to the ram cross-section d, the exact ratio depending in particular on the workpiece material and wall thickness and should be selected accordingly.
  • the distance T by which the end face 9 of the plunger 8 is set back relative to the inner wall surface 5 of the lower tool 2.2 is to be selected taking into account the diameter d, D and the material properties (maximum elongation at break ⁇ in%) of the workpiece 1.
  • the height and foot width of the serrated elevations 13 should correspond approximately to the wall thickness s of the workpiece 1.
  • a rounding should be present, the radius R of which should at least correspond to the workpiece wall thickness s.
  • a depth T 1 should be selected for the formation 6, for which at least the following should apply: T 1 ⁇ 1.5 T.
  • the plunger 8 also serves as an ejector, since it can happen that when the workpiece area to be cut breaks, it jams within the formation 6.
  • the ejection takes place before or during the opening of the upper and lower tools 2.1, 2.2 by a corresponding mechanical device that actuates the plunger 8.
  • the tool opening movement could be used to initiate the plunger movement.
  • the ejection could also take place in a second step.
  • a support element could possibly be dispensed with.
  • T ⁇ D should then be observed.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 3.
  • Im Stand der Technik sind eine Reihe von Möglichkeiten bekannt (Bohren, Stanzen usw.), um beispielsweise rotationssymmetrische oder auch eine bestimmte Formkontur aufweisende Durchbrüche in die Wandung eines Werkstückes einzubringen.
  • Auch ist es bekannt (GB-A 11 66 532, US-A 27 32 897), Performationen in einem Hohlkörper dadurch herzustellen, daß dessen Wandung sich auf der einen Seite an einem perforierten Stützkörper abstützt, während die gegenüberliegende Seite einem unter hohen Druck stehenden Medium (hydraulisch, pneumatisch) ausgesetzt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Anwendungsmöglichkeiten des letztgenannten Herstellungsverfahrens zu erweitern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Verfahrensweise, wie sie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist.
  • Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise zwei an sich bekannte Werkstück-Bearbeitungsverfahren in einem einzigen Bearbeitungsschritt durchführen.
  • In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren während eines Umformens des Werkstückes unter Anwendung des Innenhochdruckverfahrens angewendet (Patentanspruch 2).
  • Das Innenhochdruckumformen (von vorzugsweise rohrförmigen Werkstücken) ist im Stand der Technik bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben (DE-Z "Bänder Bleche Rohre" 6/1986, Seiten 117 bis 120; DE-Z "Bleche Rohre Profile" 35 (1988) 3, Seiten 175 bis 180; "Fortschrittsberichte" VDI Reihe 2 Nr. 142, VDI-Verlag; jeweils mit Querverweisen zu weiterführendem Schrifttum).
  • Das Innenhochdruckumformverfahren wird vorzugsweise zur Herstellung unterschiedlich geformter Hohlteile angewendet und ist ein materialsparendes Verfahren, das den Forderungen einer ressourcensparenden Fertigungstechnik entspricht. Die Arbeitsweise dieses Umformverfahrens ist dabei dergestalt, daß ein Werkstück-Rohling in eine Form gelegt, unter Zuhilfenahme eines geeigneten Hydraulikfluids mit hohem Innendruck beaufschlagt und unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit axialem Druck auf die Rohrwandung umgeformt wird. Axialdruck und Innendruck bewirken, daß sich der Werkstück-Rohling an die Innenkontur der Form anlegt. Dabei wird der Werkstoff in den plastischen Zustand versetzt, der während des gesamten Umformvorganges unter Berücksichtigung von Werkstoffverfestigung und etwaiger Werkzeugkräfte aufrechterhalten bleibt.
  • Ein besonders geeignetes Werkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ausgehend von Werkzeugen, wie sie in "Aufweitstauchen von Rohren durch Innenhochdruckumformung", Blech Rohre Profile, Band 35, Nr. 3, März 1988, Seite 175, Bild 2, beschrieben sind, in Patentanspruch 3 angegeben.
  • Dadurch, daß das Werkzeug im Randbereich einer Ausformung sowohl eine scharfe Schnittkante als auch "Bremskonturen" aufweist, wobei letztere die Aufgabe haben, den Werkstoff im Bereich der Schnittkante gezielt am Nachfließen zu hindern, wird in vorteilhafter Weise eine definierte Sollbruchlinie zuverlässig gebildet.
  • Eine in der Ausformung vorzugsweise mittig angeordnete Abstützfläche, wie in Patentanspruch 4 beschrieben, begrenzt die Werkstoffstreckung im inneren Bereich der auszuschneidenden Werkstückwandung und erhöht gleichzeitig die Werkstoffstreckung im frei tragenden Bereich.
  • Ist die Abstützfläche gleichzeitig Teil eines Auswerfers, wie dies in Anspruch 5 angegeben ist, so kann nach Herstellung des Durchbruches die in der Ausformung gebenenenfalls noch festsitzende ausgeschnittene Werkstückwandung herausgedrückt werden.
  • Die Einhaltung der Randbedingungen, wie sie mit den Patentansprüchen 6 und 7 angegeben sind, gewährleisten eine zuverlässige Herstellung des Durchbruches.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei die Herstellung des Durchbruches während eines Umformens eines Werkstückes unter Anwendung des Innenhochdruckverfahrens erfolgt. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
    • Fig. 1
    eine Schematische Darstellung von Werkstück und Werkzeug in der Anordnung für ein rotationssymmetrisches Aufweitstauchen im geöffneten Werkzeug als eines der Grundverfahren des Innenhochdruckumformens und
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung des Bereiches X gemäß Fig. 1, in dem im Werkstück ein Durchbruch hergestellt wird.
  • Das Innenhochdruckumformverfahren kennt im wesentlichen drei Grundverfahren, nämlich das partielle Ausbauchen im geschlossenen Werkzeug, das rotationssymmetrische Aufweiten im geschlossenen Werkzeug und das rotationssymmetrische Aufweitstauchen im geöffneten Werkzeug. Fig. 1 zeigt in schematisierter Form das letztgenannte Verfahren. Dabei wird ein als Rohr ausgebildetes Werkstück 1 in ein geöffnetes (Abstand ao), aus Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 sich zusammensetzendes und während des Umformvorganges mitbewegtes Werkzeug 2 eingelegt. Nach dem Einspannen und der Abdichtung mittels geeigneter Dichtringe (nicht dargestellt) wird ein Hohlraum 3 des Werkstückes 1 über eine Zuflußöffnung 4 mit einem flüssigen Wirkmedium gefüllt. Anschließend erfolgt die Umformung, wobei sich während des Umformvorganges Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 solange mit einer Axialkraft Fa bei gleichzeitiger Wirkung eines vom Wirkmedium erzeugten Innendruckes pi aufeinander zubewegen, bis die gewünschte Aufweitform im Werkstück 1 erreicht ist. Der Innendruck pi ist in Abhängigkeit von insbesondere Werkstoff und Wandstärke des Werkstückes 1 zu wählen. Nach Abschluß des Umformvorganges weisen Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 noch einen Abstand a₁ auf.
  • Ein detaillierteres Eingehen auf das Innenhochdruckumformverfahren dürfte entbehrlich sein. Es genügt an dieser Stelle ein Verweis auf die eingangs angegebene, insgesamt sehr umfangreiche Literatur hierzu.
  • Mit der Bezugsziffer X ist derjenige Werkzeugbereich näher gekennzeichnet, in dem während des Umformvorganges auf erfindungsgemäße Weise ein Durchbruch hergestellt wird. Nähere Einzelheiten ergeben sich aus Fig. 2.
  • Fig. 2 zeigt ausschnittsweise das Unterwerkzeug 2.2, welches auf seiner inneren Wandfläche 5 eine der Kontur (beispielsweise rotationssymmetrisch) des gewünschten Werkstück-Durchbruches entsprechende Ausformung 6 aufweist. In deren mittlerem Bereich ragt durch eine Bohrung 7 im Unterwerkzeug 2.2 ein mittels Druckkraft Fs beaufschlagbarer Stößel 8 in die Ausformung 6 hinein, wobei dessen Stirnfläche 9 (mit abgerundeter Umfangskante) dem Werkstück 1 während der Herstellung des Durchbruches als Stützfläche dient.
  • Die Stirnfläche 9 begrenzt die Werkstoffstreckung in diesem Bereich und erhöht gleichzeitig die Werkstoffstreckung im frei tragenden Bereich der Ausformung 6.
  • Eine umlaufende Kante 10 der Ausformung 6 ist scharfkantig ausgeführt (90°) und dient insoweit als Schnittkante. Desweiteren ist nahe dieser Kante 10 die innere Wandfläche 5 des Unterwerkzeuges 2.2 mit ebenfalls umlaufenden zackenförmigen Erhebungen 13 ausgestattet, die als Bremskonturen wirken und ein Nachfliesen des Werkstück-Werkstoffes verhindern sollen, um das Einreißen der Werkstückwandung entlang der Schnittkante (Kante 10) bei Erreichen eines bestimmten Innendruckes Pi zu begünstigen.
  • Dabei kommt es bei zunehmendem Innendruck pi zu einem verstärktem Einschneiden des Werkstoffes. Außerdem ist in der Schneidkanteneinflußzone ein gleichmäßiger Festigkeitszustand gegeben, so daß an der Kante 10 die Beanspruchung steigt. Ist der Werkstoff etwa in der Größenordnung 1/3 s (s = Werkstück-Wandstärke) eingeschnitten, so kommt es zum Bruch.
  • Ist die Ausformung 6 kreisförmig (Durchmesser D), so sollte bezüglich des Stößelquerschnittes d etwa ein Verhältnis von d/D = 1/3 eingehalten werden, wobei das genaue Verhältnis insbesondere von Werkstück-Werkstoff und -Wandstärke abhängig und entsprechend zu wählen ist.
  • Der Abstand T, um den die Stirnfläche 9 des Stößels 8 gegenüber der inneren Wandfläche 5 des Unterwerkzeuges 2.2 zurückversetzt ist, ist unter Berücksichtigung der Durchmesser d, D und der Werkstoffeigenschaften (maximale Bruchdehnung δ in %) des Werkstückes 1 zu wählen.
  • Höhe und Fußbreite der zackenförmigen Erhebungen 13 sollten in etwa der Wandstärke s des Werkstückes 1 entsprechen. Im Übergangsbereich zwischen Mantelfläche 14 und Stirnfläche 9 des Stößels 8 sollte eine Rundung vorhanden sein, deren Radius R mindestens der Werkstückwandstärke s entsprechen sollte. Für die Ausformung 6 ist eine Tiefe T₁ zu wählen, für die zumindest gelten sollte: T₁ ≧ 1,5 T.
  • Der Stößel 8 dient gleichzeitig als Auswerfer, da es durchaus passieren kann, daß beim Bruch des auszuschneidenden Werkstückbereiches sich dieser innerhalb der Ausformung 6 verklemmt. Das Auswerfen erfolgt vor oder während des Öffnens von Ober- und Unterwerkzeug 2.1, 2.2 durch eine entsprechende mechanische Einrichtung, die den Stößel 8 betätigt. Dabei könnte die Werkzeug-Öffnungsbewegung genutzt werden, um die Stößelbewegung einzuleiten. Selbstverständlich könnte das Auswerfen auch in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgen.
  • Soweit die in das Werkstück 1 einzubringende Durchbrechung ein gewisses Maß (z. B. 0̸ < 8 mm) unterschreitet, könnte gegebenenfalls auf ein Stützelement verzichtet werden. Für eine kreisförmige Ausformung sollte dann T ≧ D eingehalten werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes (1), wobei das Werkstück (1) in ein Werkzeug (2) eingesetzt wird, welches im Bereich des vorgesehenen Durchbruches mit einer Ausformung (6) mit einer dem Durchbruch entsprechenden Randkontur versehen ist und der Hohlraum (3) des Werkstückes (1) mit einem Wirkmedium bis zu einem das Einschneiden der Werkstückwandung entlang einer Kante (10) der Ausformung (6) bewirkenden Innendruck (pi) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) in ein eine durch Einwirken von Verformungskräften hervorrufbare Aufweitung des Werkstückes (1) in gewissen Grenzen zulassendes Formwerkzeug (2) eingesetzt wird und daß die Herstellung des Durchbruches während eines gleichzeitigen Umformens, insbesondere Aufweitens, zum Herbeiführen einer geänderten Kontur des Werkstückes (1) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen des Werkstückes (1) unter Anwendung des Innenhochdruckumformverfahrens erfolgt.
  3. Werkzeug mit das Werkstück (1) aufnehmenden Ober- und Unterwerkzeugen (2.1, 2.2) mit einer Wirkmedium-Zuflußöffnung (4) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Bereich des vorgesehenen Durchbruches angeordnete Ausformung (6), wobei der Übergang von einer inneren Werkzeug-Wandfläche (5) zur Ausformung (6) scharfkantig ist (10) und nahe dieser die Wandfläche (5) mit nach innen ragenden, entlang der Kante (10) verlaufenden zackenförmigen Erhebungen (13) ausgestattet ist.
  4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der Ausformung (6) durch eine Bohrung (7) des Unterwerkzeuges (2.2) ein Stößel (8) in die Ausformung (6) hineinragt, dessen Stirnfläche (9) das sich in diesem Bereich verformende Werkstück (1) abstützt.
  5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (8) als Auswerfer dient und von einer Druckkraft Fs beaufschlagbar ist.
  6. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei kreisförmigem Querschnitt von Stößel (8) und Ausformung (6) das Verhältnis d: D 1:3 ist, wobei d der Stößeldurchmesser und D der Ausformungsdurchmesser ist.
  7. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kreisförmigen Ausformung (6) deren Tiefe T₁ stets größer ist, als ihr Durchmesser D.
EP91118373A 1990-11-09 1991-10-29 Verfahren zum Herstellen eines Durchbruches in der Wandung eines als Hohlkörper ausgebildeten Werkstückes und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens Expired - Lifetime EP0484789B1 (de)

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EP0484789A1 EP0484789A1 (de) 1992-05-13
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