EP1206329B1

EP1206329B1 - Verfahren zum umformen eines ausgangsprofils od.dgl. werkstückes mittels eines innenhochdruckes

Info

Publication number: EP1206329B1
Application number: EP00943513A
Authority: EP
Inventors: Markus Gehrig; Christian Leppin; Pius Schwellinger
Original assignee: Alcan Technology and Management Ltd
Current assignee: 3A Composites International AG
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE50012231D1; WO2001010580A1; EP1206329A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Umformen eines einen Profilraum aufweisenden Ausgangsprofils (16a) od.dgl. Werkstückes mittels eines in dem abgedichteten Profilraum durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdruckes zu einem Endprofil werden zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich (28n) - bevorzugt mindestens zwei Eckbereiche (28n) - aufweisenden Ausgangsprofils (16n) an den Eckbereich (28n) anschliessende Wandabschnitte (34) querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschliessend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben des Eckbereiches (28n) in Druckrichtung rückgeformt. Dazu wird ein Profil mit von Profilwänden (22n) begrenztem Profilraum eingesetzt, bei dem jeweils zwei Profilwände (22n) einen Eckbereich (28n) des Profilquerschnitts bestimmen, wobei zumindest eine der an den Eckbereich (28n) anschliessenden Profilwände (22n) mit einem querschnittlich gekrümmten Bereich (32) versehen ist. Bevorzugt wird ein polygoner Querschnitt, dessen Profilwände (22n) zwischen den Eckbereichen (28n) jeweils den einwärts gekrümmten Bereich (32) aufweisen oder bei dem jeweils zwei Eckbereiche (28n) verbindende ausgewählte Profilwände (22n) einen gekrümmten Bereich (32) anbieten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim sog. Innenhochdruck-Umformen (IHU-Verfahren) wird ein Hohlprofil durch Innendruck ausgedehnt. Zusätzlich kann das Hohlprofil mittels wenigstens eines am Werkstück angreifenden Stempels nachgeschoben sowie aufgeweitet, gestaucht bzw. expandiert werden.
Die DE 35 32 499 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum hydraulischen Aufweiten eines Rohrabschnitts unter Einsatz einer in das Rohr einführbaren zapfenartigen zylindrischen Sonde, die mittels mindestens zweier im Abstand voneinander befindlicher Dichtringe mit dem aufzuweitenden Rohrabschnitt einen Ringraum bildet, der zum Aufweiten mit Druckmittel gefüllt wird; die beiden Dichtringe sind jeweils in einer ringförmigen Aufnahmenut U-förmigen Querschnitts in der Sonde angeordnet und haben im Ausgangzustand beim Einführen der Sonde in das Rohr einen höchstens dem Außendurchmesser der Sonde entsprechenden Außendurchmesser. Vor Beginn des Aufweitungsvorganges werden sie zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen Sonde und Rohr radial mit Druckmittel beaufschlagt, das den Aufnahmenuten durch eine an die Druckmittelzuführung angeschlossene Verbindungsleitung zugeführt wird. Die Druckmittelzufuhr zum Ringraum geschieht ausschließlich über zumindest eine der Aufnahmenuten und wird durch einen als Ventilkörper dienenden Dichtring gesteuert, der eine zwischen Aufnahmenut und Ringraum befindliche Öffnung so lange verschließt, bis er durch elastisches Aufweiten seine Dichtwirkung erreicht hat. Jene Aufnahmenut ist in ihrem dem Ringraum benachbarten Rand mit wenigstens einem schrägen Einschnitt versehen. Wird nun der Druck im Ringraum zwischen den beiden Dichtungen erhöht, beginnt sich die Rohrwand in diesem Bereich zu weiten.
Dieses Innenhochdruck-Umformen oder Hydroformen findet mehr und mehr Eingang als wirtschaftliches Herstellungsverfahren für Karosseriebauteile im Automobilbau. Als Ausgangsmaterial werden dabei vorwiegend Stahlrohre eingesetzt. Die Endkontur der zu formenden Bauteile ist im allgemeinen um ein Vielfaches komplexer als der einfache Kreisquerschnitt des Ausgangsmaterials. Somit ergeben sich bei diesem Verfahren in der Regel Bauteilbereiche, die im IHU-Prozess sehr viel stärker umgeformt werden als andere Bereiche, und letztere werden dementsprechend dünner. Sind diese Bereiche unter Betriebsbedingungen hoch belastet, muss die Dicke des Ausgangsblechs ausreichend hoch bemessen worden sein, was aber in den weniger stark umgeformten Bereichen zu unnötig großen Materialansammlungen führt. Dieser Nachteil widerspricht der Forderung nach einem möglichst geringen Bauteilgewicht.
In letzter Zeit haben sich für IHU-Prozesse als Ausgangsmaterial zum Stahl auch Aluminiumwerkstoffe hinzugesellt. Analog zu Stahl gibt es dabei Herstellungsverfahren, in denen als Ausgangsmaterial Rohre aus Aluminiumblech verwendet werden; alternativ können aber auch Aluminium-Strangpressprofile eingesetzt werden. Diese kommen bei Stahl aus wirtschaftlichen Gründen nicht infrage. Die Verwendung von Strangpressprofilen hat den entscheidenden Vorteil, dass der Gestaltung des Ausgangsprofils nahezu keine Grenzen gesetzt sind.
IHU-Prozesse mit Strangpressprofilen werden in der Produktion vor allem eingesetzt, um hochpräzise Bauteile herstellen zu können. Dazu wird nach dem derzeitigen Stand der Technik die Gestalt des Ausgangsprofils möglichst an die gewünschte Endkontur angelehnt, damit im IHU-Prozess verhältnismäßig geringe Umformgrade auftreten. Diese Verfahrensweise ist insbesondere bei vorzubiegenden gekrümmten Bauteilen sowie bei Profilquerschnitten mit scharfen Eckkanten zumeist nicht zielführend. Nicht zuletzt auch aus dem Bestreben, die Umformgrade auf geringem Niveau zu halten, ergibt sich im allgemeinen deren ungleichmäßige Verteilung. Dadurch -- sowie auch durch die Vorverformung aus dem Biegeprozess -- kommt es zu Rückfederungseffekten, die dazu führen, dass die gewünschte Präzision mit dem beschriebenen Verfahren nur in Ausnahmefällen erreicht zu werden vermag. Ebenso können scharfe Eckkanten, welche ein großes Verhältnis der Profilwanddicke zum Außenradius aufweisen, mit diesem Verfahren in der Regel nicht ausgeformt werden.
Bei IHU-Prozessen mit Stahlrohren ist es üblich, vor den eigentlichen Umformprozessen (Biegen und IHU) eine Vordeformation des Ausgangsmaterials durchzuführen, um beispielsweise eine günstigere Querschnittsgestaltung für das Biegen zu erreichen oder um überhaupt das Einlegen des Werkstücks in das IHU-Werkzeug erst zu ermöglichen.
Die Offenlegungsschrift DE 42 14 557 A1 beschreibt ein Verfahren zum hydraulischen Aufweiten von geschlossenen Hohlprofilen, wobei das geschlossene Hohlprofil gegen eine die Kontur des Endprofils wiedergebende Form gepresst wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Profilabschnitte mit überwiegender Biegung in der Wand zuerst an der Innenfläche der Form zur Anlage kommen und nach weiterer Steigerung des Innendruckes die Ausformung der schmalen und eckigen Bereiche erfolgt.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder eine gezielte Querschnittsgestaltung des eingesetzten Strangpressprofils in Bezug auf eine günstige Verteilung der Umformung beim IHU-Prozess als Ziel gesetzt; die elastische Rückfederung des Werkstücks soll nach der Entnahme aus dem IHU-Werkzeug minimiert und eine Maßhaltigkeit in der gewünschten Präzision erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches 1, die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.
Erfindungsgemäß werden zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich aufweisenden Ausgangsprofils an den Eckbereich anschließende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung gekrümmt vorgeformt und nachfolgend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums in Druckrichtung rückgeformt, wobei der Eckbereich verschoben wird; sind zumindest zwei Eckbereiche vorhanden, werden die zwischen den Eckbereichen verlaufenden Wandabschnitte entsprechend gegen die Druckrichtung vorgeformt sowie -- ebenfalls durch den von jenem Wirkmedium erzeugten Innenhochdruck unter Verschieben der Eckbereiche in Druckrichtung -- rückgeformt.
In der Praxis wird es überwiegend um Ausformungen nahezu rechter Winkel gehen, wobei die Profilquerschnitte keine Rechteckkonturen sein müssen. Jedoch können auch andere Winkelgrößen ausgeformt werden, insbesondere spitz zulaufende Ecken mit Eckwinkeln unter 45°.
Als günstig hat es sich erwiesen, das Verschieben des Eckbereiches in Richtung von dessen Eckmittellinie bzw. seiner Symmetrielinie durchzuführen. Diese Eckbereiche am Ausgangsprofil sollen zudem verdickt ausgeformt werden.
Der lokale Umformgrad kann am Ausgangsprofil als Übermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils durch einesickenähnliche -- einwärts gerichtete Krümmung des Profilquerschnitts hergestellt werden. Auch ist es möglich, den lokalen Umformgrad am Ausgangsprofil als Untermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils einzuführen.
Vorteilhafterweise werden also die Anforderungen für präzise Leichtbauweise erfüllt, d.h. das Ausgangsprofil ist derart gestaltet, dass das Werkstück am Ende des IHU-Prozesses Materialanhäufungen vorwiegend an denjenigen Stellen aufweist, wo diese aus Gründen der Festigkeit benötigt werden. Um die genannten Ziele zu erreichen werden

der Profilwandung die lokalen Umformgrade durch querschnittliche Krümmungen und durch Profilabschnitte mit lokalem Untermaß sowie in diesem Zusammenhang die Eigenspannung in Längsrichtung gesteuert;
Profilecken überspitzt;
diejenigen Profilabschnitte verdickt, die geringe bis keine Umformung erfahren sollen,
Profilquerschnitte vorgefaltet.

Das Steuern des lokalen Umformgrads durch -- sickenartige-- einwärts gerichtete Querschnittskrümmungen und Profilabschnitte mit lokalem Untermaß erfolgt unter Ausnutzung des nachstehenden Wirkprinzips.
Die einwärts gerichtete Querschnittskrümmung ist hier von Bedeutung; insbesondere im Hinblick auf Querschnitte, deren Profilwände in der Endkontur gekrümmt ausgeführt sind, sei betont, dass es auf die relative Krümmung -- und nicht auf die absolute Krümmung -- ankommt. Denn durch diese ist letztendlich bestimmt, ob die Kontur des Ausgangsprofils gegenüber der Endkontur im entsprechenden Abschnitt ein Übermaß oder ein Untermaß aufweist, durch welches das Verhalten im beschriebenen Umform-Prozess gesteuert wird.
Durch Sicken oder andere querschnittliche Krümmungen kann ein lokales Übermaß erreicht werden; im Gegensatz zu einem an der Profilaußenseite gewölbten Übermaß werden das Einlegen des Werkstücks in das Werkzeug sowie das Schließen des Werkzeugs durch eine Sicke nicht behindert; durch jenes Übermaß kommt es im IHU-Prozess zu einer lokalen Aufstauchung des Materials in Umfangsrichtung des Profils. Durch die plastische Volumenkonstanz von Aluminiumwerkstoff werden dadurch Druckeigenspannungen in Längsrichtung des Profils induziert, die nach Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug eine entsprechende Rückfederung in Längsrichtung zur Folge haben. Durch Profilabschnitte mit lokalem Untermaß erfolgt im IHU-Prozess an entsprechender Stelle eine Abstreckung des Materials in Umfangsrichtung des Profils. Dank der erwähnten plastischen Volumenkonstanz des Aluminiums werden Zugeigenspannungen in Längsrichtung des Profils induziert, die nach Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug eine entsprechende Rückfederung in Längsrichtung zur Folge haben.
Eine geeignete Verteilung von Absteck- und Aufstauchzonen führt zu einer Minimierung der resultierenden Gesamtrückfederung, so dass nach dem IHU-Prozess maßhaltige Werkstücke erzielt werden.
Zur Ausformung von spitz zulaufenden Ecken bei gleichzeitiger Vermeidung von lokal überhöhten Umformgraden an den Ecken führen nachstehende Maßgaben:

eine starke Verdickung der Profilecken verhindert irreversibles Aufbiegen zu Beginn des IHU-Prozesses;
durch sickenähnliche Querschnittskrümmungen in unmittelbarer Nachbarschaft der verdickten Profilecken kann die notwendige lokale Materialabstreckung zur Ausformung kleiner Eckradien reduziert bis vollständig eliminiert.werden.

Durch das Verfahren der Erfindung wird ein hohles Profil mit von Profilwänden begrenztem Profilraum hergestellt bei dem jeweils zwei Profilwände einen Eckbereich des Profilquerschnitts bestimmen und bei dem zumindest eine der an den Eckbereich anschließenden Profilwände einen querschnittlich gekrümmten Bereich aufweist. Bevorzugt wird dazu ein polygoner Querschnitt -- insbesondere ein dreiecksförmiger Querschnitt --, dessen Profilwände zwischen den Eckbereichen jeweils den einwärts gekrümmten Bereich aufweisen; es ist aber auch möglich, beispielsweise nur eine einzige Profilwand mit dem gekrümmten Bereich zu versehen. Vorteilhafterweise sollte der gekrümmte Bereich der Profilwand beidends an Eckbereiche anschließen. Die Querschnittsform jenes gebogenen Bereiches kann teilkreisartig oder teilellipsenartig, parabelförmig, hyperbelähnlich oder als anders gestaltete Kontur ausgebildet sein.
Als günstig hat sich ein solcher gebogener Bereich mit teilkreisförmiger Krümmungskontur erwiesen, deren Bogenlänge vom Abstand zweier die anschließenden Eckbereiche begrenzender Schenkel bestimmt wird. Das Abstandsmaß ergibt sich aus der Seitenlänge der Profilwand abzüglich der Schenkellängen der jeweils anschließenden Eckbereichedie je nach Profilquerschnittsform und Wanddickenverteilung auch ungleich sein können -- sowie abzüglich eines Abstandes, der sich aus dem projizierten Spaltabstand zwischen der Außenkontur des Ausgangsprofils und der Kontur des dieses aufnehmenden Formraumes ergibt.
Vorteilhafterweise entspricht die Schenkellänge der Schenkel des Eckbereiches des Ausgangsprofils dem Dreifachen bis Vierfachen der mittleren Wanddicke der an den Eckbereich anschließenden Abschnitte der Profilwände; die Schenkellänge hängt von der Wanddicke der Profilwand sowie dem Eckwinkel des von dieser gebildeten Eckbereiches ab.
Bei einem gleichseitigen Dreiecksquerschnitt des Ausgangsprofils soll jener Abstand der Schenkel z. B. etwa das Dreifache von deren Schenkellänge messen. In diesem Falle kann das Scheitelmaß zwischen der teilkreisförmigen Krümmungskontur und einer die Schenkel verbindenden Geraden etwa der Wanddicke der Profilwand entsprechen.
Bei der Verwendung von Aluminiumstrangpressprofilen ist es möglich, den Arbeitsschritt einer Vordeformation zu vermeiden, indem man das Ausgangsprofil gleich in der gewünschten günstigen vorgefalteten Form gestaltet. Neben der Einsparung des entsprechenden Arbeitsprozesses für die Vordeformation erreicht man dadurch gleichzeitig eine höhere Prozesssicherheit beim Biegen oder Schließen des IHU-Werkzeugs.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils in skizzenhafter Wiedergabe:

Fig. 1:: einen Teil eines Formwerkzeuges im Querschnitt mit in einem Formdurchbruch erkennbarem, optimal geformtem Profilquerschnitt nach einem IHU-Vorgang;
Fig. 2:: den Querschnitt durch ein Ausgangsprofil nach dem Stande der Technik innerhalb einer angedeuteten Werkzeugkontur vor einem IHU-Vorgang;
Fig. 3:: das Profil der Fig. 2 nach dem Verformen;
Fig. 4, 6:: den Querschnitt durch ein stranggepresstes Ausgangsprofil mit Werkzeugkontur (in Fig. 6 gegenüber Fig. 4 vergrößert);
Fig. 5:: das Profil der Fig. 4 nach dem Verformen;
Fig. 7:: eine Detailskizze zu Fig. 6;
Fig. 8:: einen Profilrahmen in Draufsicht;
Fig. 9:: den Querschnitt durch Fig. 8 nach deren Linie IX-IX;
Fig. 10:: das zum Herstellen der endgültigen Kontur des Profilrahmens verwendete Formwerkzeug im Querschnitt;
Fig. 11:: den Querschnitt durch ein Ausgangsprofil für den Profilrahmen nach dem Stande der Technik;
Fig. 12:: den Querschnitt durch das Ausgangsprofil nach der Erfindung;
Fig. 13:: das Ausgangsprofil der Fig. 12 innerhalb des Formwerkzeuges im Querschnitt;
Fig. 14:: den Querschnitt eines weiteren Profils.

In einem Formwerkzeug 10 aus einem Basisteil 11 und einem Oberteil 12 ist gemäß Fig. 1 ein Formraum 14 mit einer Wandung 15 in Form eines gleichseitigen Dreiecks -- mit Eckwinkeln w von 120° -- sowie einer Seitenlänge a vorgesehen und in diesem ein erwünscht ideales Hohlprofil 18_i durch die Innenkontur 20 seiner drei Profilwände 22 angedeutet; deren Außenkonturen 24 verlaufen i.w. an jener Wandungskontur 15.
Zum Erzeugen eines Hohlprofils als Endprofil 18 wird in den Formraum 14 ein -- beim Beispiel der Fig. 2 mit 16 bezeichnetes -- Ausgangsprofil engeren Querschnitts eingebracht. Die Außenkontur 24 dieses Ausgangsprofils 16 nach dem Stande der Technik in Fig. 2 entspricht einem gleichseitigen Dreieck und steht in einem etwa gleichbleibenden Spaltabstand t zur Wandung bzw. Wandungskontur 15. Dann wird das Ausgangsprofil 16 durch sogenanntes Innenhochdruck-Umformen (IHU), bei dem ein strömendes Druckmedium im Innenraum 26 des Ausgangsprofils 16 -- in Pfeilrichtung x nach Fig. 3 -- einen Hochdruck erzeugt, aufgeweitet sowie an jene Wandungskontur 15 herangeführt.
Nach dem IHU-Verformungsvorgang ist ein Hohlprofil 18 größeren Querschnitts entstanden, dessen Profilwände 22_a nach Fig. 3 jeweils mit ihrem mittleren Bereich der Wandungskontur 15 anliegen, die sich jedoch zu den Profileckkanten 19 hin -- also mit ihren Eckbereichen 28 -- in zunehmendem Abstand i zur Wandungskontur 15 halten, d.h. mit letzterer einen Winkelraum 29 begrenzen, dessen Schenkel sich querschnittlich von der Ecke der Wandungskontur 15 weg verjüngen; die Ecke wurde also nicht ausgeformt.
Um eine derart unerwünschte Formgebung zu vermeiden und ein End- oder Hohlprofil 18_n gemäß Fig. 5 auf dem Wege des IHU-Umformens zu schaffen, das dem idealen Hohlprofil 18_i entspricht, wird ein Ausgangsprofil 16_n nach Fig. 4 mit Profilwänden 22_n gepresst, die in einem mittleren Abschnitt 30 der Länge e (in Fig. 6, 7 durch Schraffur hervorgehoben) querschnittlich teilkreisartig einwärts geschwungen sind; der Radius r der -- in Fig. 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit über die Profilwand 22_n hinaus verlängertenKrümmungskontur K der Außenfläche 32 des Krümmungsabschnittes 30 entspricht etwa jener Länge e. Von den Profileckkanten 19 weg verlaufen beidseits lineare Wandabschnitte 34 der Länge f als Schenkel des Eckwinkels w von 120° bzw. des von diesem bestimmten -- und gegenüber der Wanddicke b verdickt ausgeformten -- Eckbereichs 28_n. Der Abstand der von den Schenkeln 34 begrenzten Eckbereiche 28_n voneinander definiert die Bogenlänge der Krümmungskontur K bzw. die oben erwähnte Länge e und mißt hier etwa das Dreifache der Schenkellänge f. Das Scheitelmaß h der dazwischen verlaufenden teilkreisförmigen Außenkontur oder Außenfläche 32 der Profilwand 22_n entspricht etwa der Wanddicke b oder ist geringfügig größer. Der Innenhochdruck schiebt durch das Begradigen der gekrümmten Abschnitte 30 der Profilwände 22_n die beschriebenen Eckbereiche 28_n mit Eckwinkel w in die jeweils benachbarten Ecken des Formraums 14, so dass jene Winkelräume 29 im Beispiel der Fig. 3 vermieden werden. Die Ecken werden in der von der Eckmittellinie N bestimmten Richtung verschoben.
Der Klarheit halber sei darauf hingewiesen, dass die Maßgabe, das Scheitelmaß h etwa der Wanddicke b entsprechen zu lassen, lediglich für das hier gewählte Ausführungsbeispiel zutrifft; wesentlich für die Gestaltung der Krümmungskontur K ist deren abgewickelte Länge bzw. das Bogenmaß y (Fig. 7). Die abgewickelte Länge y entscheidet darüber, ob der interessierende Abschnitt der Profilwand 22_n ein Unter- oder ein Übermaß gegenüber der abgewickelten Seitenlänge a der Endkontur aufweist. Soll beispielsweise der interessierende Abschnitt mit einem Übermaß u gestaltet werden (für den Fall eines Untermaßes ist u negativ), so muss für das Bogenmaß $y = e + 2 i_{1} + \frac{u}{2}$

gelten, worin i₁ ein Eckabstand ist, der sich aus dem zugehörigen Eckwinkel w sowie jenem lokalen Spaltabstand t ergibt über die Beziehung $i_{1} = t \tan \frac{w}{2} .$
Zudem gilt hier unter Einbindung der Schenkellänge f: $e = a - 2 (f + i_{1}) .$
Je nach Ausführung der Krümmungskontur K ergibt sich in Abhängigkeit von dem in Fig. 7 erkennbaren Bodenmaß y das Scheitelmaß h. Wird K als Kreisabschnitt ausgeführt, so können -- unter Einbeziehung des von den Grenzradien r₁ des Krümmungsbereiches 30 bestimmten Scheitelwinkels q -- zusätzlich zu Gleichung (1) die folgenden Gleichungen zur Bestimmung des Scheitelmaßes h herangezogen werden: $h = r_{1} (1 - \cos \frac{q}{2})$
$\frac{e}{2} = r_{1} \sin \frac{q}{2}$
$y^{\cdot} = q \cdot r_{1}$
Der Wert des Scheitelmaßes h läßt sich mit Hilfe eines numerischen Iterationsverfahrens bestimmen. Zudem ist bei der Gestaltung eines Strangpressprofilquerschnitts in der Praxis mit Verwendung eines CAD-Programms die Bogenlänge y einer gezeichneten Kontur bekannt, und diese kann leicht dahingehend angepasst werden, dass sich das gewünschte Maß ergibt.
Mit dem erörterten Ausführungsbeispiel soll das Verfahren zur Ausformung spitzer Eckbereiche dargestellt werden. Die genaue Geometrie des Werkstückquerschnitts ist hierbei jedoch nicht bindend; es könnte auch ein Rechteckquerschnitt oder eine völlig andere -- auch unregelmäßige -- Geometrie sein. Zudem muss jene Krümmungskontur K -- wie schon erwähnt -- nicht notwendigerweise als Kreisabschnitt ausgebildet sein; es können auch Ellipsen, Parabeln, Hyperbeln, Splines oder andere Konturen angewendet werden.
Ein in Fig. 8, 9 skizzierter -- in Längserstreckung leicht gekrümmter -- Profilrahmen 40 der beispielsweisen Länge n von etwa 2000 mm mit seitlichem Steg 41 wird an den Endkanten 42 sowie im Mittenbereich 43 mit änderen -- nicht gezeigten -- Bauteilen verschweisst. Um ein Laserschweissverfahren anwenden zu können, ist für die Biegelinie eine Toleranz von etwa ± 0.5 mm erforderlich. Auch der Profilrahmen 40 wird aus einem Aluminiumstrangpressprofil gefertigt, welches zunächst gebogen wird und anschließend in einem IHU-Prozess seine endgültige Kontur erhält.
Die Kontur 15 des Formraumes 14_a des IHU-Werkzeuges 10_a entspricht gemäß Fig. 10 der gewünschten Außenkontur des fertigen Profilrahmens 40. Der Biegeprozess wird derart gestaltet, dass durch die geringe Krümmung des Profilrahmens 40 die aus dem Biegeprozess resultierende Änderung des Querschnitts vernachlässigt werden kann.
Bislang wird -- wie Fig. 11 anbietet -- die Querschnittsform des Ausgangsprofils 38 möglichst nahe an die Endkontur angelehnt; die oberen Profilwände 45, 46 sind nach außen gekrümmt, die untere Profilwand 44 ist gerade und durch den erwähnten Seitensteg 41 einseitig verlängert.
Nach dem Biegeprozess wird das Werkstück in das mehrteilige IHU-Werkzeug 10_a eingebracht. Bei Erhöhung des Innendrucks legen sich zuerst die drei Profilflanken oder -wände 44, 45, 46 an die Wandungskontur 15 an. Die Ecken mit kleineren Radien sind zunächst nicht ausgeformt. Bei weiterer Erhöhung des Innendrucks werden schließlich auch die Eckbereiche 48 ausgeformt. Durch die Reibung zwischen Werkzeug 10_a und Werkstück 16 beschränken sich die Zugumformungen in Profilumfangsrichtung, welche für die Ausformung der Ecken notwendig sind, auf die Profilecken 48 selbst und die sich unmittelbar anschließenden Bereiche. Durch die plastische Volumenkonstanz von Aluminium führen diese Umformungen zu Zugeigenspannungen in Längsrichtung an den Eckpunkten 48. Das resultierende Moment bezüglich der Biegehauptachse A verschwindet nicht, da sich rechtsseitig ein Übergewicht der Zugeigenspannungen ergibt. Bei Entnahme des Werkstücks 38 aus dem Werkzeug 10_a kommt es aus diesem Grund zu einer entsprechenden elastischen Rückfederung, so dass der Profilrahmen 40 nach dem IHU-Prozess eine geringere Krümmung aufweist als die, welche durch die Wandungskontur 15 vorgegeben ist. Die geforderte Toleranz kann somit nicht eingehalten werden.
Den beschriebenen Rückfederungseffekten kann durch eine Gestaltung des Ausgangsprofils 38_n gemäß Fig. 12 entgegengewirkt werden. Um dies zu erreichen, muss das durch Eigenspannungen induzierte Moment bezüglich der Biegehauptachse A reduziert bzw. eliminiert werden, d.h. rechts dieser Biegehauptachse A müssen statt Zugeigenspannungen überwiegend Druckeigenspannungen induziert werden bzw. links der Biegehauptachse A überwiegend Zugeigenspannungen. Dies wird mit dem in Fig. 12 dargestellten Profilquerschnitt des Ausgangsprofils 38_n dank folgender Gestaltungsmethoden erreicht:

Die Bogenlänge der stegfernen oberen Profilwand 46_n weist ein Übermaß in Bezug auf die Endkontur auf, so dass im IHU-Prozess an dieser Stelle eine Stauchung in Umfangsrichtung stattfindet, durch welche die gewünschten Druckeigenspannungen in Längsrichtung induziert werden; das Übermaß ist zur Innenseite hin gewölbt, um eine Umformung beim Schließen des Werkzeuges 10_a zu verhindern.
die stegnahe obere Profilwand 45_n weist ein Untermaß in Bezug auf die Endkontur auf, so dass im IHU-Prozess an dieser Stelle eine Materialabstreckung in Umfangsrichtung stattfindet, durch welche die gewünschten Zugeigenspannungen in Längsrichtung induziert werden.
Die Basis- oder Sockelwand 44_n ist von den Eckbereichen 48 querschnittlich aufgewölbt, um wie in Fig. 6 -- Eckenausformung bei einem Dreieckprofil -- die Ausformung der Ecke 48_n zu vereinfachen.

Bei diesem Ausgangsprofil 38_n legen sich im IHU-Prozess entgegen der zum Stande der Technik beschriebenen Gestaltungsweise zuerst die Eckbereiche 48_n an die Werkzeugkontur 15 an. Durch Reibung haftet das Werkstück 38_n in diesen Eckbereichen 48_n am Werkzeug. Bei den für IHU-Anwendungen üblichen geringen Profilwanddicken b haftet auch bei guter Schmierung (µ < 0,05) ein Großteil der Profilfläche unter Zugbelastung am Werkzeug.
Durch weitere Druckerhöhung legen sich erst anschließend unter entsprechender plastischer Deformationen die Profilwände 44_n, 45_n, 46_n an, wobei jeweils die gewünschten Eigenspannungen in Profillängsrichtung zur Verhinderung der Rückfederung induziert werden. Das so entstehende Endprofil 50_n ist in Fig. 10 lediglich mit einer Teilkontur angedeutet.
Das Profil 52 der Fig. 14 soll andeuten, dass sich -- wie schon gesagt -- die geschilderte Verfahrensweise nicht auf Dreiecksquerschnitte beschränkt. Das Zweikammerprofil 52 weist links einer Mittelwand 54 eine Kammer 56 mitzwischen einem Bodenstreifen 57 und der Mittelwand 54gekrümmter Seitenwand 59 auf sowie eine rechte Kammer 60 mit von einem -- zum Bodenstreifen 57 in Abstand parallelen -- Firststreifen 61 ausgehender Seitenwand 62, die au szwei in einem Winkel zueinander geneigten Querschnitten 62_a, 62_b besteht. Dieses Zweikammerprofil 52 bietet vier rechtwinkelige Eckbereiche 58 an. Die in den Profilwänden 54, 57, 59 61, 62 vorhandenen gekrümmten Bereiche des Ausgangsprofils sind in der Zeichnung nicht verdeutlicht.

Claims

Verfahren zum Umformen eines einen Profilraum aufweisenden Ausgangsprofils (16) od. dgl. Werkstückes mittels eines in dem abgedichteten Profilraum (14) durch ein strömbares Wirkmedium erzeugten Innenhochdruckes zu einem Endprofil (18), insbesondere zum Umformen bis zur Anlage des Endprofils (18) an die Wandung (15) eines Formraumes (14),
wobei
zum Umformen des wenigstens einen Eckbereich (28) aufweisenden Ausgangsprofils (16) an den Eckbereich (28) anschließende Wandabschnitte (30) querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschließend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben des Eckbereiches (28) in Druckrichtung rückgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich zuerst die Eckbereiche (28) des Ausgangsprofils (16) an die Werkzeugkontur (15) anlegen und durch weitere Druckerhöhung sich erst anschliessend unter entsprechender plastischer Deformation die Profilwände (22) anlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umformen eines wenigstens zwei Eckbereiche aufweisenden Ausgangsprofils zwischen den Eckbereichen verlaufende Wandabschnitte querschnittlich gegen die Druckrichtung vorgeformt gekrümmt und anschließend durch den Innenhochdruck des strömbaren Wirkmediums unter Verschieben der Eckbereiche in Druckrichtung rückgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eckwinkel des Eckbereiches von etwa 90°.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eckwinkel des Eckbereiches unter 90°, bevorzugt durch einen spitz zulaufenden Eckbereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschieben des Eckbereichs in Richtung von dessen Eckmittellinie (N) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Umformgrad am Ausgangsprofil als Übermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils durch eine sickenähnliche, einwärts gerichtete Krümmung des Profilquerschnitts hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Umformgrad am Ausgangsprofil als Untermaß in Bezug auf die Endkontur des Endprofils hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Eckbereich/e am Ausgangsprofil verdickt ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand in an die Eckbereiche anschließenden Bereichen mit einwärts gekrümmtem Querschnitt geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand in an die Eckbereiche anschließenden Bereichen mit relativ zum Endquerschnitt einwärts gekrümmtem Querschnitt geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand des Ausgangsprofils zumindest mit einem querschnittlich teilkreisartig oder teilellipsenartig gekrümmten Bereich (30) geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwand des Ausgangsprofils zumindest mit einem querschnittlich parabelförmig, hyperbelähnlich od.dgl. gekrümmten Bereich geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zur Profilinnenseite gekrümmten Übermaß des Ausgangsprofils während des IHU-Umformens eine Stauchung in Umfangsrichtung durchgeführt sowie Druckeigenspannungen induziert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vom Ausgangsprofil weg gerichteten Untermaß während des IHU-Umformens eine Materialabstreckung in Umfangsrichtung durchgeführt wird sowie Zugeigenspannungen induziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des IHU-Umformens zuerst die Eckbereiche an die Wandung des Formraumes und dann die Profilwandungen herangeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Eckbereich (28_n, 48_n) im Wesentlichen winkelartig geformt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung des Eckbereichs (28_n, 48_n) des Ausgangsprofils im Wesentlichen der Formgebung des Eckbereichs des Endprofils (18_n; 50_n) entspricht und der Eckbereich (28_n, 48_n) in die Kontur des Endprofils (18_n; 50_n) verschiebbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 gekennzeichnet durch einen polygonen Querschnitt des Ausgangsprofils, dessen Profilwände (22_n) zwischen den Eckbereichen (28_n) jeweils den einwärts gekrümmten Bereich (30) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch einen polygonen Querschnitt des Ausgangsprofils, bei dem jeweils zwei Eckbereiche (48_n) verbindende ausgewählte Profilwände (44_n bis 46_n) einen gekrümmten Bereich (30) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch einen dreieckförmigen Querschnitt des Ausgangsprofils.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Eckbereich/e (28_n, 48_n) am Ausgangsprofil (16_n, 38_n) im Verhältnis zur Dicke (b) der benachbarten Profilwand (22_n; 44_n bis 46_n) verdickt ausgeformt ist/sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch einen gekrümmten Bereich im Ausgangsprofil mit teilkreisförmiger Krümmungskontur (K), deren Bogenlänge (y) vom Abstand (e) die anschließenden Eckbereiche (28_n, 48_n) begrenzender Schenkel (34) bestimmt ist (Fig. 7).
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch ein Maß des Abstandes (e) der Schenkel (34) aus der um die Schenkellängen (f) der anschließenden Eckbereiche (28, 48) sowie dem projizierten Abstand (t) der Außenfläche des Schenkels (34) des Ausgangsprofils (16_n, 38_n) von der entsprechenden Wandaußenfläche des vorgesehenen Endprofils (18_n, 50_n) verminderter Seitenlänge (a) der Profilwand (22).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkellänge (f) der Schenkel (34) des Eckbereiches (28_n, 48_n) des Ausgangsprofils (16_n) dem Dreifachen bis Vierfachen der mittleren Wanddicke (b) der an den Eckbereich anschließenden Bereiche der Profilwände (22_n) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine Abhängigkeit der Schenkellänge (f) von der Wanddicke (b) der Profilwand (22_n; 44_n bis 46_n) sowie dem Eckwinkel (w) des von diesem gebildeten Eckbereiches (28_n, 48_n).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem etwa gleichseitigen Dreiecksquerschnitt des Ausgangsprofils (16_n) der Abstand (e) der Schenkel (34) etwa das Dreifache von deren Schenkellänge (f) misst.
Verfahren nach einem die Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheitelmaß (h) zwischen der teilkreisförmigen Krümmungskontur (K) und einer die Schenkel (34) verbindenden Geraden etwa der Wanddicke (b) der Profilwand (22_n, 44_n bis 46_n) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprofil (16_n, 38_n; 52) ein aus einer Leichtmetallegierung stranggepresstes Profil ist.