EP1654079A1 - Verfahren zum herstellen von hohlkörpern, hohlkörper und verwendung des hohlkörpers - Google Patents

Verfahren zum herstellen von hohlkörpern, hohlkörper und verwendung des hohlkörpers

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EP1654079A1
EP1654079A1 EP04738787A EP04738787A EP1654079A1 EP 1654079 A1 EP1654079 A1 EP 1654079A1 EP 04738787 A EP04738787 A EP 04738787A EP 04738787 A EP04738787 A EP 04738787A EP 1654079 A1 EP1654079 A1 EP 1654079A1
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EP
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forming process
hollow body
hollow
workpiece
wall thickness
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04738787A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ronald Claus
Andreas Mertz
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Willy Voit & Co GmbH
Original Assignee
Willy Voit & Co GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B21D41/00—Application of procedures in order to alter the diameter of tube ends
    • B21D41/04—Reducing; Closing
    • 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
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing weldable, high-strength hollow bodies from a tubular blank, to which a diameter and / or wall thickness gradation with at least one conical or stepped transition is formed by means of cold forming by pressure rolling. It also relates to a hollow body and the use of the hollow body.
  • Hollow drive shafts are increasingly being used in automotive engineering because, due to their lower weight and largely variable geometrical design compared to solid shafts, they make a contribution both to the saving of lubricant and to improved comfort ( ⁇ VH behavior).
  • the "method for producing targeted material accumulations on hollow shafts" described in DE 101 29 671 A1 relates to the production of a shaft collar with locally increased wall thickness by kneading and upsetting.
  • a hollow shaft is known from DE 40 22 692 C2, in which the central tube area is hammered and / or stretched to a reduced wall thickness and optionally expanded hydraulically.
  • the end areas in the form of inner and outer joint parts are manufactured here using forming technologies such as hammering (round kneading), forging or pressing.
  • DE 100 05 578 AI describes a method for producing a hollow body with a step-shaped shoulder from a roll-shaped workpiece, in which a conical region is first formed on the tubular workpiece, which area is heated in a targeted manner becomes. An axial compressive force is then exerted on the workpiece, so that the heated conical region is compressed and shaped into the step-shaped shoulder.
  • the object of the invention is to provide a method which, with greater flexibility in terms of shape and production sequence, enables an application-optimized, high-strength, weldable hollow body at lower production costs.
  • This object is achieved according to the invention by a method for producing one-piece hollow bodies according to the preamble, which is characterized in that the shaping process is carried out by pressure rolling, at least the deformed area being cooled during the shaping process.
  • the advantages of the invention lie essentially in a lower investment, in lower unit costs and in the fact that noise protection housing is not required.
  • the workpiece is clamped in a non-machined area during the forming process. Furthermore, it is within the scope of the invention that a mandrel is introduced into the machined area of the workpiece during the forming process.
  • rolled, laser-welded tubes are used as semi-finished products.
  • thermomechanically strengthened sheet metal a rolled, laser-welded tube, preferably made of thermomechanically strengthened sheet metal, is used as the starting material. Due to the thermomechanical hardening of the material, there is no loss of strength due to recrystallization in the unprocessed structure, even under the influence of temperature.
  • the tubular workpiece consists of a low-alloy steel of high strength, preferably of the SXXXMC type, particularly preferably S700MC.
  • Such steels with a carbon content of C ⁇ 0.15% are easy to weld and deform.
  • Such a hollow body can be used in numerous areas.
  • the procedure according to the invention for the production of hollow shafts offers technical and economic advantages of reducing weight with the same and even higher strength requirements, and optimal coordination with regard to weld cross-section and cross-section in the free tube as well as high flexibility in the shape of the tube.
  • cylindrical, thick or thin-walled tubes can be produced on the outside, cylindrical, thick or thin-walled tubes on the inside, tubes stepped inwards or outwards and conical, symmetrical and asymmetrical tubes.
  • the pressure rolling is faster in comparison to the round kneading and errors in the tube are discovered that would be hidden during the round kneading (automatic quality control).
  • the strength of the material drops less in the heat transfer zone of the spigot-shaft pairing than, for example, with C45 as a material.
  • Fig. 2 different pipe sections that can be produced by the method according to the invention.
  • a rolled (bending roll technique) laser welded tube 1 made of thermomechanically strengthened sheet metal is used as the starting product, which consists of a low-alloy steel of high strength with a carbon content C ⁇ 0.15%, for example of S700MC.
  • a first processing step (FIG. 1), the tube 1 is stretched to the desired outside diameter in its central region by means of pressure rollers A, a mandrel 3 being introduced into the interior of the tube 1 in the present case. Press rolling without mandrel 3 is also possible.
  • three pressure rollers A are used which are evenly distributed over the circumference. During this process, the outer diameter and possibly the wall thickness in the stretched area is reduced during the Outside diameter and wall thickness remain the same in the other areas.
  • the extension of tube 1 is now:
  • the wall thickness in the region of larger outer diameters is greater than or equal to the wall thickness in the region of small outer diameters.
  • the workpiece is cooled intensively with a cooling liquid, for example an oil-water cooling lubricant.
  • a cooling liquid for example an oil-water cooling lubricant.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von verschweissbaren, hochfesten Hohlkörpern (1) aus einem rohrförmigen Rohling, dem mittels Kaltumformung durch Drückwalzen (A) eine Durchmesser- und/oder Wandstärkenabstufung mit zumindest einem konischen oder gestuften Übergang angeformt wird. Sie betrifft weiterhin einen Hohlkörper und die Verwendung des Hohlkörpers. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das mit grösserer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten hochfesten, verschweissbaren Hohlkörper (1) zu geringeren Herstellungkosten ermöglicht, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, das der Umformvorgang durch Drückwalzen erfolgt, wobei zumindest der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.

Description

BESCHREIBUNG
Nerfahren zum Herstellen von Hohlkörpern, Hohlkörper und Verwendung des Hohlkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von verschweißbaren, hochfesten Hohlkörpern aus einem rohrförmigen Rohling, dem mittels Kaltumformung durch Drückwalzen eine Durchmesser- und/oder Wandstärkenabstufung mit zumindest einem konischen oder gestuften Übergang angeformt wird. Sie betrifft weiterhin einen Hohlkörper und die Verwendung des Hohlkörpers.
Hohle Antriebswellen werden zunehmend im Automobilbau verwendet, da sie infolge ihres gegenüber Vollwellen geringeren Gewichtes und weitgehend variabler geometrischer Gestaltung sowohl einen Beitrag zur Jüaftstoffeinsparung als auch zur Komfortverbesserung (ΝVH- Verhalten) leisten.
In der DE 30 09 277 C2 ist eine Antriebswelle beschrieben, bei der abgestuft von der Mitte zu den Enden der Durchmesser geringer und die Wandstärke größer wird. Die Endbereiche sind mit einer Längsverzahnung versehen. Bei dieser Ausführung der Kraft-/Momenteinleitung treten unter Last hohe Spannungsspitzen auf
Das in der DE 101 29 671 AI beschriebene "Verfahren zur Herstellung gezielter Werkstoffanhäufungen an hohlen Wellen" betrifft die Herstellung eines Wellenbundes mit lokal erhöhter Wandstärke durch Rundkneten und Stauchen.
Aus der DE 40 22 692 C2 ist eine Hohlwelle bekannt, bei der der mittlere Rohrbereich auf eine reduzierte Wandstärke gehämmert und/oder abgestreckt und ggf. hydraulisch aufgeweitet wird. Die Endbereiche in Form von Gelenk-Innen- bzw. -Außenteilen werden hier mittels Umformtechnologien wie Hämmern (Rundkneten), Schmieden oder Pressen hergestellt.
In der DE 100 05 578 AI wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers mit einem stufenförmigen Absatz aus einem rolirförmigen Werkstück beschrieben, bei dem an dem rohrförmigen Werkstück zunächst ein konischer Bereich ausgebildet wird, der gezielt erwärmt wird. Anschließend wird auf das Werkstück eine axiale Stauchkraft ausgeübt, so daß der erwärmte konische Bereich gestaucht und zu dem stufenförmigen Absatz geformt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das mit größerer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten hochfesten, verschweißbaren Hohlkörper zu geringeren Herstellungskosten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper gemäß dem Oberbegriff gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Umformvorgang durch Drückwalzen erfolgt, wobei zumindest der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, daß entgegen der Lehre der DE 100 05 578 AI statt eines Erwärmens des Werkstücks während des Umformvorganges ein Kühlen desselben mittels Kühlflüssigkeit, z.B. mittels eines Wasser-Öl-Kühlschmiermittels, zu einer deutlich besseren Qualität des Endproduktes führt. Eine fortwährend starke Kühlung während der Umformung hat den Vorteil, daß durch die Kaltverformung ein Gefüge mit gutem Fatigue- Verhalten entsteht. Es ergibt sich im Bereich kleinen Durchmessers und/oder geringerer Wandstärke eine Kaltverfestigung (bis Rp > 1.000 Mpa ohne Wärmebehandlung). Bei der beschriebenen Vorgehensweise kann ein Einlaufwinkel des konischen Bereichs von 45° und mehr erreicht werden. Bei Stahl als Werkstoff sind Durchmesserdifferenzen von teilweise mehr als 20 % des Ausgangsdurchmessers und dabei Wanddickenverringerungen von über 50 % möglich. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist zudem wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren.
Hinsichtlich der Kostensituation liegen die Vorteile der Erfindung im wesentlichen in einem geringeren Investment, in geringeren Stückkosten und in der Tatsache, daß eine Lärmschutzeinhausung nicht erforderlich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Werkstück während des Umformvorganges in einem nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß während des Umformvorganges ein Dorn in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet.
Hierbei wird als Ausgangsmaterial ein gerolltes, lasergeschweißtes Rohr, vorzugsweise aus thermomechanisch verfestigtem Blech, verwendet. Durch die thermomechanische Verfestigung des Werkstoffes tritt im unbearbeiteten Gefüge, auch unter Temperatureinfluß, kein Festigkeitsverlust durch Rekristallisation auf.
Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das rohrförmige Werkstück aus einem niedrig legierten Stahl hoher Festigkeit, bevorzugt vom Typ SXXXMC, besonders bevorzugt S700MC besteht.
Solche Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt C < 0,15 % sind gut schweißbar und verformbar.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Hohlkörper, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Ein derartiger Hohlköper kann in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden.
Schließlich ist auch eine Verwendung des Hohlkörpers für eine dreiteilige hohle Antriebswelle, erfindungsgemäß.
Dies ist insofern vorteilhaft, als eine individuelle Anpassung an den Bauraum erfolgen kann, wobei trotz des geringeren Gewichtes die Anschweißmaße, z.B. für die Zapfen beibehalten werden können.
Zusammenfassend bietet die erfindungsgemäße Vorgehensweise für die Herstellung von Hohlwellen, insbesondere dreiteiligen Hohlwellen, als technische und wirtschaftliche Vorteile eine Gewichtreduzierung bei gleichen und sogar höheren Festigkeitsanforderungen, eine optimale Abstimmung hinsichtlich Anschweißquerschnitt und Querschnitt im freien Rohr sowie eine hohe Flexibilität in der Formgebung des Rohres. So sind außen zylindrische, dick- oder dünnwandige Rohre, innen zylindrische, dick- oder dünnwandige Rohre, nach innen oder außen gestufte Rohre und konische, symmetrische und asymmetrische Rohre auf diese Weise herstellbar. Zudem ergibt sich nach einer Kaltumformung ein sehr hohes Streckgrenzenverhältnis (gutes Dauerschwingverhalten) (Rp02/Rm). Weiterhin ist das Drückwalzen im Vergleich zum Rundkneten schneller und es werden Fehler im Rohr hierbei aufgedeckt, die beim Rundkneten verdeckt würden (automatische Qualitätskontrolle). Bei Verwendung von hochfesten, lasergeschweißten Rohren aus SXXXMC fällt in der Wärmeübergangszone der Schweißpaarung Zapfen- Welle die Festigkeit des Werkstoffes weniger ab als z.B. bei C45 als Werkstoff.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte zur Erstellung einer Antriebswelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 2 verschiedene nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Rohrstücke.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird als Ausgangsprodukt ein gerolltes (Biegerolltechnik) Lasergeschweißtes Rohr 1 aus thermomechanisch verfestigtem Blech verwendet, welches aus einem niedrig legierten Stahl hoher Festigkeit mit einem Kohlenstoffgehalt C < 0,15 % besteht, beispielsweise aus S700MC.
In einem ersten Bearbeitungsschritt (Fig. 1) wird das Rohr 1 in seinem mittleren Bereich mittels Drückrollen A auf den gewünschten Außendurchmesser abgestreckt, wobei im vorliegenden Fall ein Dorn 3 in den Innenbereich des Rohres 1 eingebracht wird. Ebenso ist ein Drückwalzen ohne Dorn 3 möglich. Vorteilhafterweise werden drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Drückrollen A verwendet. Während dieses Vorganges wird der Außendurchmesser und ggf. die Wanddicke im abgestreckten Bereich reduziert, während der Außendurchmesser und die Wanddicke in den übrigen Bereichen gleich bleiben. Die Verlängerung des Rohres 1 beträgt nun:
DL= L0 ((AHK0 AπKabgestr) -1).
In der Regel ist bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Wandstärke im Bereich größerer Außendurchmesser größer oder gleich der Wandstärke im Bereich kleiner Außendurchmesser.
Während des Umformvorgangs wird das Werkstück intensiv mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Öl-Wasser-Kühlschmiermittel gekühlt. Hierdurch wird der temperaturbedingte Festigkeitsabfall nahezu vermieden.
Fig. 2 zeigt verschienene Formen von Rohrabschnitten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind. Dort ist ersichtlich, daß sowohl außen als auch innen zylindrische dick- und dünnwandige Rohre als auch nach innen oder außen gestufte Rohre sowie konische, sysmmetrische und asymmetrische Rohre auf diese Weise bei hoher Qualität kostengünstig herstellbar sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen von verschweißbaren, hochfesten Hohlkörpern aus einem rohrförmigen Rohling, dem mittels Kaltumformung durch Drückwalzen eine Durchmesser- und/oder Wandstärkenabstufüng mit zumindest einem konischen oder gestuften Übergang angeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformvorgang durch Drückwalzen erfolgt, wobei zumindest der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Umformvorganges in einem nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Umformvorganges ein Dorn in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.
4. Verfaliren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrformige Werkstück aus einem niedrig legierten Stahl hoher Festigkeit, bevorzugt vom Typ SXXXMC, besonders bevorzugt S700MC besteht.
6. Hohlkörper, der gemäß den Ansprüchenl bis 5 hergestellt ist.
7. Verwendung des Hohlkörpers gemäß Anspruch 6 für eine dreiteilige Hohlwelle.
EP04738787A 2003-08-14 2004-06-25 Verfahren zum herstellen von hohlkörpern, hohlkörper und verwendung des hohlkörpers Withdrawn EP1654079A1 (de)

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