EP1321201A2 - Fertigungsverfahren mittels Innenhochdruckumformung - Google Patents

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EP1321201A2
EP1321201A2 EP02024793A EP02024793A EP1321201A2 EP 1321201 A2 EP1321201 A2 EP 1321201A2 EP 02024793 A EP02024793 A EP 02024793A EP 02024793 A EP02024793 A EP 02024793A EP 1321201 A2 EP1321201 A2 EP 1321201A2
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EP
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hydroforming
insert element
manufacturing
tool
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Walter-Josef Schiffler
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/035—Deforming tubular bodies including an additional treatment performed by fluid pressure, e.g. perforating
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/03—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of sheet metal otherwise than by folding
    • B21D39/034—Joining superposed plates by piercing

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method according to the preamble of claim 1.
  • Components manufactured by internal high pressure forming are versatile, especially in the automotive sector.
  • the windscreen crossmember and the A-pillars "Internal high pressure forming components” manufactured.
  • On these hydroforming components must now again fasteners to connect with other components may be provided.
  • the connection with other components is made so far usually by welding and screwing techniques.
  • Threaded screw technology are done in a separate step "Threaded inserts" inserted into the internal high-pressure formed components or bolts welded onto the hydroforming components.
  • Threaded screw technology are done in a separate step "Threaded inserts" inserted into the internal high-pressure formed components or bolts welded onto the hydroforming components.
  • the object of the invention is to provide a manufacturing process with the whole general "connecting elements" in a simple manner on hydroforming components are attachable.
  • the basic principle of the invention is immediately after the manufacture of the Internal high pressure forming component, i.e. in the hydroforming tool Connection or fastening element in the hydroforming component punch in and then the connecting or fastening element deform that it is form-fitting with the hydroforming component connected is.
  • connection or fastening element is expressed in simplified terms as "Punching tool” for punching a through opening in the wall of the Internal high pressure forming component used. Then the connection or fastening element plastically deformed similar to a blind rivet and thereby firmly connected to the hydroforming component. Since the connection or Fastener acts as a "punching tool” when “setting”, it points preferably a higher strength than the material of the réellehoch horrumformbauteils.
  • the fastening element can, for example, be a cup nut with an internal thread his. Similar to a blind rivet, a mandrel can be provided, which in the Bottom of the pot nut is screwed. After "punching" the pot nut in the wall of the hydroforming component is the cup nut by means of a pressed together on the mandrel and on an edge of the pot nut. The pot nut deforms and "flows" in the radial direction, which creates a positive connection with the hydroforming component results. After reaching a predetermined tensile force or specified mandrel length is removed, i.e. unscrewed.
  • the fastening element can also be deformed in a different way be positively connected to the hydroforming component.
  • Essential is mainly that the fastener as a "punching tool" acts and with still in the hydroforming tool Internal high pressure forming component is punched.
  • the fastening element which can also be called an "insert element" in a side view is asymmetrical.
  • asymmetrical means that the fastening or insert element in an end peripheral region has phase-like bevel.
  • the phased bevel has the purpose that when “pressing” or punching the fastener into the Wall of the internal high-pressure formed component of the "punching slugs" "inwards” is bent and does not tear off.
  • the punching slug thus remains on Internal high. So it is not punched out.
  • For hollow components it is often difficult to get loose punch slugs out of the cavity find out. Vehicle components in particular are loose in the cavity punching slugs located are not acceptable for noise or safety reasons.
  • the fastener or insert element has on the "set side", i.e. a circumferential projecting on the outside of the hydroforming component Edge on.
  • the fastener or insert is then so far in stamped the wall of the hydroforming component that the protruding Edge abuts the outer wall of the hydroforming component.
  • a major advantage of the invention is that in a single "integrated" process step thread inserts or threaded bolts for medium and heavy screw connections in the Internal high pressure forming component can be introduced. Since that Internal high pressure forming component when setting the thread inserts or Threaded bolt remains in the hydroforming tool is a very accurate Positioning the thread inserts and threaded bolts and thus a very Process-safe fastening suitable for large series production possible. in the Difference from the prior art, where "connecting elements" outside the Hydroforming tool "set” in a separate operation , the hydroforming component does not need to be clamped again and be positioned because it is in the assembly of the "connecting elements" in the Internal high pressure forming tool remains.
  • FIGS. 1 - 6 show the individual in a highly simplified schematic representation "Phases” when setting a "connecting element", here one Threaded pot nut is.
  • a component blank e.g. a pipe blank between two Tool halves 1, 2 of an internal high pressure forming tool inserted. Then the two ends (not shown) of the component blank locked. A pressure medium is then in an interior of the component blank brought in. By pressurizing the interior of the component, what happens here Arrow 3 is indicated, the component blank is deformed and comes into contact with the Inner contour of the hydroforming tool, which is in the Figures 1 to 6 schematically indicated internal high pressure forming component 4 results.
  • the fastener is a cup nut with an internal thread.
  • a phase-like bevel 7 is provided at that Internal high-pressure forming component 4 facing the end face of the pot nut, i.e. in the Area of the bottom of the pot nut.
  • the pot nut 6 is therefore asymmetrical in a side view.
  • the pot nut 6 has a circumferential projecting Edge 8 on. Furthermore, a so-called pull mandrel 9 is provided, which is extends into the interior of the pot nut 6.
  • the pot nut 6 is with one end face on the outside of the Wall of the hydroforming component 4.
  • the pot nut 6 by a punching mechanism, not shown here, which is also integrated in the hydroforming tool 2 can be punched into the wall of the hydroforming component 4, which in Figures 2-6 is shown.
  • the wall of the hydroforming component 4 is punched through the end face 10 of the pot nut, but not circulating. Because of the bevel 7 provided on the pot nut 6 is namely ensures that a resulting punching slug 11 is bent inwards and is not punched out. The punching slug 11 thus remains on Internal high pressure forming component 4.
  • the pot nut 6 is so far in the Wall punched in the hydroforming component 4 that the peripheral edge 8 on the outside of the wall of the Inner high pressure forming component 4 is present.
  • the cup nut 6 is plastically deformed in the last step. Similar to a blind rivet, the mandrel 9 is pulled outwards. With a counterholder, not shown here, is placed on the edge 8 of the pot nut 6 applied a counterforce. The bottom of the pot nut 6 thus becomes the inside the wall of the hydroforming component 4 pulled. The pot nut 6 deforms plastically, the edge region of the pot nut 6 radially after flows outside. This creates a bead 12 on the inside of the wall of the Inner high pressure forming component 4 is present. The pot nut 6 is now form-fitting and permanently connected to the internal high pressure forming component 4. After reaching A predetermined tensile force or tensile length can pull mandrel 9 from the pot nut 6 can be removed.
  • the pot nut 6 can now be used as a fastening element for screwing on others Components to the hydroforming component 4 are used.
  • a nut can also be used a continuous internal thread can be provided, in which the mandrel for Put the nut is screwed.
  • an insert element could be used in which the mandrel follows the "setting" remains on the insert element.
  • the mandrel can be, for example Have external thread, on which another component is then screwed.

Abstract

Nach der Herstellung eines Innenhochdruckumformbauteils (4) wird bei im Innenhochdruckumformwerkzeug (2) verbleibenden Innenhochdruckumformbauteil (4) ein Verbindungs- bzw. Befestigungselement (6) in das Innenhochdruckumformbauteil (4) eingestanzt und anschließend wird das Verbindungs- bzw. Befestigungselement (6) plastisch verformt, so dass es formschlüssig mit dem Innenhochdruckumformbauteil (4) verbunden ist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der DE 197 19 426 A1 ist die Herstellung eines Hohlkörpers nach dem Verfahren der Innenhochdruckumformung beschrieben. Dort wird ein Bauteilrohling, z.B. ein Stahlrohr, zwischen zwei Werkzeughälften eines Innenhochdruckumformwerkzeugs eingelegt. Anschließend werden die beiden Enden des Bauteilrohlings verschlossen und in das Innere des Bauteilrohlings wird ein Druckmedium eingebracht. Durch Druckbeaufschlagung wird das Rohr entsprechend der Innenkontur des Innenhochdruckumformwerkzeugs verformt. In das Innenhochdruckumformwerkzeug sind weitere Werkzeuge integriert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist in einer Werkzeughälfte des Innenhochdruckumformwerkzeugs ein Stanzwerkzeug angeordnet, mit dem Löcher bzw. Durchbrüche in das Innenhochdruckumformbauteil gestanzt werden. Mit diesem Innenhochdruckumformwerkzeug bzw. dem darin integrierten Zusatzwerkzeug können also zusätzlich zu der eigentlichen Innenhochdruckverformung des Bauteilrohlings weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden.
Durch Innenhochdruckumformung hergestellte Bauteile sind vielseitig einsetzbar, insbesondere im Kfz-Bereich. Beispielsweise sind bei dem aktuellen Cabrio-Modell der 3er-Baureihe von BMW der Frontscheiben-Querträger und die A-Säulen aus "Innenhochdruckumformbauteilen" hergestellt. An diesen Innenhochdruckumformbauteilen müssen nun wiederum Befestigungselemente zur Verbindung mit anderen Bauteilen vorgesehen sein. Die Verbindung mit anderen Bauteilen erfolgt bislang üblicherweise durch Schweiß- und Schraubtechniken. Bei der Gewindeschraubtechnik werden in einem separaten Arbeitsschritt "Gewindeeinsätze" in die Innenhochdruckumformbauteile eingebracht bzw. Bolzen auf die Innenhochdruckumformbauteile aufgeschweißt. Dies ist jedoch mit heblichem Aufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fertigungsverfahren anzugeben, mit dem ganz allgemein "Verbindungselemente" in einfacher Weise an Innenhochdruckumformbauteilen befestigbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, unmittelbar nach der Herstellung des Innenhochdruckumformbauteils, d.h. im Innenhochdruckumformwerkzeug, ein Verbindungs- bzw. Befestigungselement in das Innenhochdruckumformbauteil einzustanzen und anschließend das Verbindungs- bzw. Befestigungselement so zu verformen, dass es formschlüssig mit dem Innenhochdruckumformbauteil verbunden ist.
Das Verbindungs- bzw. Befestigungselement wird dabei vereinfacht ausgedrückt als "Stanzwerkzeug" zum Stanzen einer Durchgangsöffnung in der Wandung des Innenhochdruckumformbauteils verwendet. Anschließend wird das Verbindungs- bzw. Befestigungselement ähnlich wie ein Blindniet plastisch verformt und dadurch fest mit dem Innenhochdruckumformbauteil verbunden. Da das Verbindungs- bzw. Befestigungselement beim "Setzen" als "Stanzwerkzeug" fungiert, weist es vorzugsweise eine höhere Festigkeit auf als das Material des Innenhochdruckumformbauteils.
Das Befestigungselement kann beispielsweise eine Topfmutter mit Innengewinde sein. Ähnlich wie bei einem Blindniet kann ein Zugdorn vorgesehen sein, der in den Boden der Topfmutter eingeschraubt ist. Nach dem "Einstanzen" der Topfmutter in die Wandung des Innenhochdruckumformbauteils wird die Topfmutter mittels eines am Zugdorn und an einem Rand der Topfmutter anzusetzenden Werkzeug zusammengepresst. Die Topfmutter verformt sich dabei und "fließt" in Radialrichtung, wodurch sich eine formschlüssige Verbindung mit dem Innenhochdruckumformbauteil ergibt. Nach Erreichen einer vorgegebenen Zugkraft bzw. einer vorgegebenen Zuglänge wird Zugdorn entfernt, d.h. ausgeschraubt.
Alternativ dazu kann das Befestigungselement auch in anderer Weise verformt und formschlüssig mit dem Innenhochdruckumformbauteil verbunden werden. Wesentlich ist nämlich vor allem, dass das Befestigungselement als "Stanzwerkzeug" fungiert und bei noch im Innenhochdruckumformwerkzeug befindlichem Innenhochdruckumformbauteil eingestanzt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befestigungselement, das auch als "Einsatzelement" bezeichnet werden kann, in einer Seitenansicht asymmetrisch ist. Unter "asymmetrisch" ist hier zu verstehen, dass das Befestigungs- bzw. Einsatzelement in einem stirnseitigen Umfangsbereich eine phasenartige Abschrägung aufweist. Die phasenartige Abschrägung hat den Zweck, dass beim "Eindrücken" bzw. Einstanzen des Befestigungselementes in die Wandung des Innenhochdruckumformbauteils der "Stanzbutzen" "nach innen" gebogen wird und nicht abreißt. Der Stanzbutzen verbleibt somit am Innenhochdruckumformbauteil. Er wird also nicht herausgestanzt. Bei Hohlbauteilen ist es nämlich oftmals schwierig, lose Stanzbutzen aus dem Hohlraum herauszubekommen. Insbesondere bei Fahrzeugbauteilen sind lose im Hohlraum befindliche Stanzbutzen aus Geräusch- oder Sicherheitsgründen nicht akzeptabel.
Vorzugsweise weist das Befestigungs- bzw. Einsatzelement auf der "Setzseite", d.h. auf der Außenseite des Innenhochdruckumformbauteils einen umlaufenden vorspringenden Rand auf. Das Befestigungs- bzw. Einsatzelement wird dann soweit in die Wandung des Innenhochdruckumformbauteils eingestanzt, dass der vorspringende Rand an der Außenwand des Innenhochdruckumformbauteils anliegt.
Nach der anschließenden plastischen Verformung des Befestigungsbauteils ist dieses unlösbar mit dem Innenhochdruckumformbauteil verbunden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in einem einzigen "integrierten" Prozess-Schritt Gewindeeinsätze bzw. Gewindebolzen für mittelschwere und schwere Schraubverbindungen in das Innenhochdruckumformbauteil eingebracht werden können. Da das Innenhochdruckumformbauteil beim Setzen der Gewindeeinsätze bzw. Gewindebolzen im Innenhochdruckumformwerkzeug verbleibt, ist eine sehr genaue Positionierung der Gewindeeinsätze und Gewindebolzen und somit eine sehr prozesssichere für die Großserienfertigung geeignete Befestigung möglich. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo "Verbindungselemente" außerhalb des Innenhochdruckumformwerkzeugs in einem separaten Arbeitsgang "gesetzt" werden, braucht das Innenhochdruckumformbauteil nicht erneut eingespannt und positioniert werden, da es bei der Montage der "Verbindungselemente" im Innenhochdruckumformwerkzeug verbleibt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figuren 1 - 6 zeigen in stark vereinfachter schematischer Darstellung die einzelnen "Phasen" beim Setzen eines "Verbindungselements", das hier eine Gewindetopfmutter ist.
In bekannter Weise wird ein Bauteilrohling, z.B. ein Rohrrohling zwischen zwei Werkzeughälften 1, 2 eines Innenhochdruckumformwerkzeugs eingelegt. Anschließend werden die beiden Enden (nicht dargestellt) des Bauteilrohlings verschlossen. In einen Innenraum des Bauteilrohlings wird dann ein Druckmedium eingebracht. Durch Druckbeaufschlagung des Bauteilinnenraumes, was hier durch Pfeil 3 angedeutet ist, wird der Bauteilrohling verformt und kommt zur Anlage an der Innenkontur des Innenhochdruckumformwerkzeugs, wodurch sich das in den Figuren 1 bis 6 schematisch angedeutete Innenhochdruckumformbauteil 4 ergibt. In einem Werkzeugteil bzw. in einer Werkzeughälfte 2 ist eine Ausnehmung 5 vorgesehen, in die ein Befestigungselement 6 eingebracht ist. Das Befestigungselement ist hier eine Topfmutter mit einem Innengewinde. An der dem Innenhochdruckumformbauteil 4 zugewandten Stirnseite der Topfmutter, d.h. im Bereich des Bodens der Topfmutter, ist eine phasenartige Abschrägung 7 vorgesehen. Die Topfmutter 6 ist also in einer Seitenansicht asymmetrisch.
An ihrem anderen stirnseitigen Ende weist die Topfmutter 6 einen umlaufenden vorspringenden Rand 8 auf. Ferner ist ein sogenannter Zugdorn 9 vorgesehen, der sich in das Innere der Topfmutter 6 erstreckt.
In Figur 1 steht die Topfmutter 6 mit ihrer einen Stirnseite an der Außenseite der Wand des Innenhochdruckumformbauteils 4 an.
Anschließend wird die Topfmutter 6 durch einen hier nicht dargestellten Stanzmechanismus, der ebenfalls in das Innenhochdruckumformwerkzeug 2 integriert sein kann, in die Wand des Innenhochdruckumformbauteils 4 eingestanzt, was in den Figuren 2 - 6 dargestellt ist. Die Wand des Innenhochdruckumformbauteils 4 wird dabei mittels der Stirnseite 10 der Topfmutter durchgestanzt, aber nicht umlaufend. Durch die an der Topfmutter 6 vorgesehene Abschrägung 7 ist nämlich sichergestellt, dass ein dabei entstehender Stanzbutzen 11 nach innen umgebogen wird und nicht ausgestanzt wird. Der Stanzbutzen 11 verbleibt also am Innenhochdruckumformbauteil 4.
Wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist, wird die Topfmutter 6 soweit in die Wandung in des Innenhochdruckumformbauteils 4 eingestanzt, dass der umlaufende Rand 8 an der Außenseite der Wand des Innenhochdruckumformbauteils 4 anliegt.
Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, wird im letzten Schritt die Topfmutter 6 plastisch verformt. Ähnlich wie bei einem Blindniet wird der Zugdorn 9 nach außen gezogen. Mit einem hier nicht dargestellten Gegenhalter wird auf den Rand 8 der Topfmutter 6 eine Gegenkraft aufgebracht. Der Boden der Topfmutter 6 wird somit zur Innenseite der Wandung des Innenhochdruckumformbauteils 4 hingezogen. Die Topfmutter 6 verformt sich dabei plastisch, wobei der Randbereich der Topfmutter 6 radial nach außen fließt. Hierbe entsteht ein Wulst 12, der an der Innenseite der Wandung des Innenhochdruckumformbauteils 4 anliegt. Die Topfmutter 6 ist nun formschlüssig und unlösbar mit dem Innenhochdruckumformbauteil 4 verbunden. Nach Erreichen einer vorgegebenen Zugkraft bzw. Zuglänge kann der Zugdorn 9 von der Topfmutter 6 entfernt werden.
Die Topfmutter 6 kann nun als Befestigungselement zum Anschrauben anderer Bauteile an das Innenhochdruckumformbauteil 4 verwendet werden.
Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch eine Mutter mit einem durchgehenden Innengewinde vorgesehen sein, in das der Zugdorn zum Setzen der Mutter eingeschraubt wird.
Ferner könnte ein Einsatzelement verwendet werden, bei dem der Zugdorn nach dem "Setzen" am Einsatzelement verbleibt. Der Zugdorn kann beispielsweise ein Außengewinde aufweisen, auf das dann ein weiteres Bauteil aufgeschraubt wird.

Claims (10)

  1. Fertigungsverfahren mit folgenden Schritten:
    a) Einbringen eines Bauteilrohlings zwischen Werkzeugteile eines Innenhochdruckumformwerkzeugs,
    b) Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeugs,
    c) Umformen des Bauteilrohlings mittels eines Druckmediums in ein Innenhochdruckumformbauteil,
    d) Stanzen einer Durchgangsöffnung in einer Wandung des Innenhochdruckumformbauteils, wobei das Innenhochdruckumformbauteil im Innenhochdruckumformwerkzeug verbleibt und wobei die Stanzbearbeitung über eine Ausnehmung erfolgt, die im Innenhochdruckumformwerkzeug vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung mit einem Einsatzelement (6) gestanzt wird, das nach dem Stanzen in der Durchgangsöffnung verbleibt und plastisch verformt und dadurch formschlüssig mit dem Innenhochdruckumformbauteil (4) verbunden wird.
  2. Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (6) in einer Seitenansicht asymmetrisch ist, wobei an einer Stirnseite des Einsatzelementes (6) eine phasenartige Abschrägung (7) vorgesehen ist.
  3. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (6) einen umlaufenden vorspringenden Rand (8) aufweist und dass das Einsatzelement (6) nach dem Stanzen soweit in die Durchgangsöffnung eingepresst wird, dass der Rand (8) an einer Außenseite des Innenhochdruckumformbauteils (4) anliegt.
  4. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (6) einen Zugdorn (9) aufweist, der zur plastischen Verformung des Einsatzelementes (6) vorgesehen ist.
  5. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Einsatzelementes (6) eine höhere Festigkeit aufweist als das Material des Innenhochdruckumformbauteils (4).
  6. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (6) eine Topfmutter ist.
  7. Fertigungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zugdorn (9) in das Innere der Topfmutter erstreckt.
  8. Fertigungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zugdorn (9) in den Boden der Topfmutter eingeschraubt ist.
  9. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (6) eine Mutter mit einem durchgehenden Innengewinde ist, in das der Zugdorn (9) lösbar eingeschraubt ist.
  10. Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Einsatzelement (6) ein Zugdorn (9) unlösbar verbunden ist, der ein Außengewinde aufweist.
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