EP2107953A1 - Verfahren zum hydroformen von bauteilen - Google Patents

Verfahren zum hydroformen von bauteilen

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EP2107953A1
EP2107953A1 EP07856575A EP07856575A EP2107953A1 EP 2107953 A1 EP2107953 A1 EP 2107953A1 EP 07856575 A EP07856575 A EP 07856575A EP 07856575 A EP07856575 A EP 07856575A EP 2107953 A1 EP2107953 A1 EP 2107953A1
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EP
European Patent Office
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ionic liquid
hydroforming
gas
pressure
liquid
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Eberhard Schlücker
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Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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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

Definitions

  • the invention relates to a method for hydroforming components according to the preamble of claim 1.
  • hydroforming is understood to mean various processes of active-substance-based transformation, ie processes in which liquid media, such as water and oil, assume the function of the force-introducing component.
  • liquid media such as water and oil
  • hydroforming includes high pressure forming, hydrostatic stretch forming, and hydromechanical deep drawing.
  • hydroforming is thus a technique in which the component to be molded is pressed against a tool by means of a liquid (also pressurized fluid).
  • a liquid also pressurized fluid
  • hydroforming is thus a technique in which the component to be molded is pressed against a tool by means of a liquid (also pressurized fluid).
  • a product with a uniform shape can be produced with a divisible tool.
  • complex forms by hydroforming.
  • An example of this is the transition from round to square or to other shapes.
  • a combination of several forms belongs in the range of possibilities. At the same time you can achieve sharper corners and higher dimensional accuracy, depending on fluid pressure, which may for example be about 2,000 to 4,000 bar but also more.
  • Hydroforming is thus an established in many industries manufacturing process for complicated shaped components, such as in the automotive industry in the production of camshafts from tube-like workpieces.
  • the workpiece is tightly clamped in a divisible tool and loaded with a pressure fluid serving as a pressure fluid until the desired shape is established by flow of the material.
  • the pressure required for these processes is usually generated by piston pumps and results from the material properties of the metal to be processed at the selected ambient conditions. Since steel sheets or steel profiles (for example, pipes) are usually used as the raw material, hydroforming of complicated components up to 4000 bar is necessary.
  • the stresses of the pressure generator and the tools at this pressure level are considerable and lead to massive cost-intensive designs and a relatively high failure or damage probability.
  • a typical printing fluid for such applications is the thermal oil Marlotherm®, which can be used up to about 300 ° C. For many applications of the future is but this temperature is still not high enough, because the material strength at this temperature is not much lower.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved method for hydroforming of components to avoid these disadvantages.
  • the pressure fluid is an ionic liquid is used.
  • an organic ionic liquid and / or an inorganic ionic liquid or a mixture of these two liquids is used as the ionic liquid.
  • the ionic liquids to be used according to the invention as pressurized fluid are currently usable up to at least 550.degree. This is a typical mixture of lithium nitrate, potassium nitrate, nitrite and other ingredients. But it can also higher with yet to be created ionic liquids of another kind Temperatures are reached. Another advantage of the group of ionic liquids is their chemical inertness, so that hardly any attacks on materials are to be feared. In addition, due to the extremely low vapor pressure, the odor load in the manufacturing environment is reduced and thus also ensures less pressure fluid loss through evaporation.
  • Fig. 1 shows in a table a clear comparison of the compressibility and the volume loss per 100 bar in water and some organic ionic liquids. The values listed in this table were tested at pressures up to 2000 bar and 200 ° C. simultaneity loading, whereby these organic ionic liquids were recognized to be stable.
  • the hydroforming process can also be operated by a controlled process, with temperatures above the limit temperature, e.g. 300 or 550 ° C, but under atmospheric pressure, the aforementioned limit temperature is not exceeded.
  • the limit temperature e.g. 300 or 550 ° C
  • ionic liquids to be used according to the invention are liquids which contain only ions. These are liquid salts without the salt being dissolved in a solvent such as water is.
  • ionic liquids should be understood as meaning substances which consist of cations and anions. In this case, mixtures of several cations and anions are possible.
  • the ionic liquid used as pressurized fluid can be indirectly act on the component to be formed via gas, which was first filled in the component and / or in a space in front of it.
  • it may be provided to compress the gas with the aid of a liquid piston formed from ionic liquid.
  • the ionic liquid is allowed to act on the gas via an intermediate agent arranged therebetween.
  • intermediate means either a template plate and / or a further liquid can be used, which floats on the ionic liquid.
  • a chamber or a pipe system - first with gas, possibly already with a certain pressure, and then compressed this gas by means of a liquid piston formed from ionic liquids, so is heated by the compression of the gas and thus the component.
  • the ionic liquid experiences the same temperature at the interface with the gas or a slightly lower temperature due to the heat absorption in the ionic liquid. It is important that many ionic liquids absorb little gas.
  • the advantage of this procedure is that the gas can be compressed only by the technically relatively simple pumping of the ionic liquid.
  • the machine technology required for pumping is already available, with the energy requirement for such machines being significantly lower than when working with pure gas as the pressure medium.
  • liquid piston is also supplemented with a template plate, which serves to protect against heat and diffusion, or another liquid which floats on the ionic liquid serving as pressurized fluid.
  • the ionic liquid can finally, with appropriate design of the hydroforming system in the pump have a different (lower) temperature than in the contact area to the gas.
  • FIG. 2 there are shown some delivery-grade curves as a function of the delivery pressure, wherein it is clearly evident that the use of an ionic liquid (IL) as hydraulic fluid achieves a significantly higher delivery rate than is the case with conventional hydraulic fluids.
  • IL ionic liquid

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Description

Verfahren zum Hydroformen von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydroformen von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Unter dem Begriff "Hydroformen" (engl.: hydroforming) werden verschiedene Verfahren der wirkmedienbasierten Umformung verstanden, Verfahren also, bei denen flüssige Medien, wie Wasser und Öl, die Funktion der krafteinleitenden Komponente übernehmen. Zu den gängigsten Verfahren des Hydroformens gehören das Hochdruck-Umformen, das hydrostatische Streck-Umformen sowie das hydromechanische Tiefziehen.
Mit Hilfe dieser Verfahren lassen sich Bauteile herstellen, die gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen verbesserte mechanische Eigenschaften, ein geringeres Gewicht sowie eine komplexere Struktur aufweisen.
Während die guten mechanischen Eigenschaften, z.B. die höhere Steifigkeit und Festigkeit, aus der Art der Krafteinleitung in das Werkstück während der Umformung resultieren, ermöglich es der Wegfall von Schweißflanschen Material und damit auch Gewicht einzusparen. Auf Grund der genannten Vorteile gewinnt das Hydroformen beispielsweise im Automobilbau zunehmend an Bedeutung, da es besonders hier ein stetes Optimierungsziel ist, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu reduzieren, die Sicherheit für den Fahrgast zu erhöhen oder den verfügbaren Nutzraum zu vergrößern.
Im Speziellen ist somit Hydroformen eine Technik, bei der das zu formende Bauteil mit Hilfe einer Flüssigkeit (auch Druckfluid) gegen ein Werkzeug gepresst wird. Der Vorteil hiervon besteht darin, dass mit einem teilbaren Werkzeug ein Produkt mit einer einheitlichen Form erzeugt werden kann. Außerdem ist es möglich, durch Hydroformen komplexe Formen zu realisieren. Ein Beispiel dafür ist der Übergang von rund zu eckig oder zu anderen Formen. Auch eine Kombination mehrerer Formen gehört in den Bereich der Möglichkeiten. Gleichzeitig kann man schärfere Ecken und höhere Maßhaltigkeit erreichen, abhängig von Flüssigkeitsdruck, der beispielsweise etwa 2.000 bis 4000 bar aber auch mehr betragen kann.
Hydroformen ist somit ein mittlerweile in vielen Branchen etablierter Herstellprozess für kompliziert geformte Bauteile, beispielsweise im Automobilbau bei der Herstellung von Nockenwellen aus rohrähnlichen Werkstücken. Bei diesen Verfahren wird das Werkstück dicht in ein teilbares Werkzeug eingespannt und mit einem als Druckübertragungsmittel dienenden Druckfluid solange belastet, bis sich die gewünschte Form durch Fließen des Werkstoffes einstellt. Der für diese Prozesse notwendige Druck wird in der Regel mit Kolbenpumpen erzeugt und resultiert aus den Werkstoffeigenschaften des jeweils zu verarbeiteten Metalls bei den gewählten Umgebungsbedingungen. Da in der Regel Stahlbleche oder Stahlprofile (z.B. Rohre) als Rohmaterial verwendet werden, sind für das Hydroformen komplizierter Bauteile bis zu 4000 bar notwendig. Die Beanspruchungen des Druckerzeugers sowie der Werkzeuge auf diesem Druckniveau sind beträchtlich und führen zu massiven kostenintensiven Konstruktionen und einer vergleichsweise hohen Ausfall- bzw. Schadenswahrscheinlichkeit.
Zur Absenkung des erforderlichen Druckes werden daher die Bauteile vermehrt auch im warmen Zustand - d.h. mit einer heißen Druckflüssigkeit - hergestellt. Eine typische Druckflüssigkeit für solche Anwendungen ist das Thermoöl Marlotherm®, das bis etwa 3000C verwendet werden kann. Für viele Anwendungen der Zukunft ist diese Temperatur aber immer noch nicht hoch genug, da die Materialfestigkeit bei dieser Temperatur noch nicht wesentlich kleiner ist.
Aus diesem Grund ist schon in Erwägung gezogen worden, Gase als Druckfluid einzusetzen. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Kompressionsleistung für diese Art von Fluid sehr viel größer ist als die bisher aufgebrachte Pumpenleistung und dass Kompressordimensionen nötig sind, die bisher noch nicht auf dem Markt erhältlich sind. Außerdem würde der Formprozess mehr Zeit beanspruchen. Als einziger Vorteil verbleibt damit die hohe erreichbare Temperatur, die jedoch mit einigen gravierenden Nachteilen erkauft wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, zur Vermeidung dieser Nachteile ein verbessertes Verfahren zum Hydroformen von Bauteilen zu schaffen.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei dem Verfahren zum Hydroformen von Bauteilen, bei dem ein zu verformendes Werkstück in ein teilbares Werkzeug eingelegt und unter Anwendung von Druck auf ein als Druckübertragungsmittel dienendes Druckfluid zu einem Produkt mit der gewünschten Gestalt geformt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Druckfluid eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.
In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als ionische Flüssigkeit entweder eine organische ionische Flüssigkeit und/oder eine anorganische ionische Flüssigkeit oder aber eine Mischung aus diesen beiden Flüssigkeiten verwendet wird.
Die erfindungsgemäß als Druckfluid zu verwendenden ionischen Flüssigkeiten sind derzeit bis mindestens 550° C verwendbar. Hierbei besteht eine typische Mischung aus Lithiumnitrat, Kaliumnitrat, Nitrit und Resten anderer Inhaltsstoffe. Es können aber auch mit noch zu schaffenden ionischen Flüssigkeiten anderer Art höhere Temperaturen erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Gruppe der ionischen Flüssigkeiten ist ihre chemische Inertheit, so dass kaum Angriffe auf Werkstoffe zu befürchten sind. Außerdem reduziert sich auf Grund des extrem niedrigen Dampfdruckes die Geruchsbelastung im Fertigungsumfeld und sorgt somit auch für weniger Druckflüssigkeitsverlust durch Verdampfung.
Neben der hohen Temperaturbeständigkeit ist gleichermaßen von Bedeutung die bei den ionischen Flüssigkeiten bereits nachgewiesene Drucksteifigkeit. Hierbei haben Untersuchungen mit verschiedenen Flüssigkeiten deutlich geringere Kompressibilitäten als die von Wasser gezeigt, wobei Öl ungefähr die doppelte Kompressibilität wie Wasser aufweist. Damit ist in vorteilhafter Weise eine Reduktion der Kompressibilität auf etwa 30 % möglich. Der Vorteil dieser Eigenschaft liegt in der Reduktion der Förderleistung bei 4000 bar um etwa 30 %.
Fig. 1 zeigt hierbei in einer Tabelle einen deutlichen Vergleich der Kompressibilität und des Volumenverlustes pro 100 bar bei Wasser sowie einigen organischen ionischen Flüssigkeiten. Die in dieser Tabelle aufgeführten Werte wurden bei Drücken bis 2000 bar und 2000C Gleichzeitigkeitsbelastung geprüft, wobei diese organischen ionischen Flüssigkeiten als stabil erkannt wurden.
Wie dargelegt, ist es erfindungsgemäß auch möglich, anstelle dieser organischen ionischen Flüssigkeiten auch anorganische ionische Flüssigkeiten (bzw. Mischungen hiervon) anzuwenden, die ebenfalls die beschriebenen Vorteile zeigen.
Erfindungsgemäß kann das Hydroform-Verfahren auch über einen gesteuerten Prozess betrieben werden, und zwar mit Temperaturen über der Grenztemperatur, z.B. 300 oder auch 550° C, wobei aber unter Atmosphärendruck die vorgenannte Grenztemperatur nicht überschritten wird.
Lediglich des Verständnisses halber sei an dieser Stelle dargelegt, dass die erfindungsgemäß zu verwendenden ionischen Flüssigkeiten (engl.: lonic Liquids = IL) Flüssigkeiten sind, die ausschließlich Ionen enthalten. Es handelt sich also um flüssige Salze, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist. Es sollen also unter ionischen Flüssigkeiten solche Substanzen verstanden werden, die aus Kationen und Anionen bestehen. Hierbei sind auch Mischungen von mehreren Kationen und Anionen möglich. Die ionischen Flüssigkeiten haben in ihrer Reinform, die durch die Abwesenheit von nichtionischen Bestandteilen gekennzeichnet ist, einen Schmelzpunkt von unter 100° C, vorzugsweise sogar unterhalb von 25° C.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass man die als Druckfluid verwendete ionische Flüssigkeit indirekt auf das zu formende Bauteil über Gas einwirken lässt, das zuerst in das Bauteil und/oder in einen davor befindlichen Raum eingefüllt wurde.
Hierbei kann vorgesehen sein, das Gas mit Hilfe eines aus ionischer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitskolbens zu komprimieren.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das zu formende Bauteil vor der Beaufschlagung mit dem durch die ionische Flüssigkeit komprimierten Gas vorgewärmt wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass man die ionische Flüssigkeit auf das Gas über ein dazwischen angeordnetes Zwischenmittel einwirken lässt. Hierbei kann als Zwischenmittel entweder eine Vorlageplatte und/oder eine weitere Flüssigkeit verwendet werden, die auf der ionischen Flüssigkeit schwimmt.
Füllt man das zu formende Bauteil - und ggf. auch noch einen davor befindlichen Raum, eine Kammer oder ein Rohrsystem - zuerst mit Gas, ggf. bereits mit einem bestimmten Druck, und komprimiert sodann dieses Gas mittels eines aus ionischen Flüssigkeiten gebildeten Flüssigkolbens, so wird durch die Kompression das Gas und damit auch das Bauteil erwärmt. Die ionische Flüssigkeit erfährt an der Grenzfläche zum Gas dieselbe Temperatur bzw. durch die Wärmeaufnahme in der ionischen Flüssigkeit eine etwas geringere Temperatur. Hierbei ist von Bedeutung, dass viele ionische Flüssigkeiten wenig Gas aufnehmen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass lediglich durch das technisch relativ einfach Pumpen der ionischen Flüssigkeit das Gas verdichtet werden kann. Die für das Pumpen erforderliche Maschinentechnik ist bereits verfügbar, wobei der Energiebedarf für derartige Maschinen deutlich kleiner ist als bei der Arbeit mit reinem Gas als Druckmedium.
Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, das Bauteil vorzuwärmen und sodann mit Gas zu deformieren, das mit einem aus ionischer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkolben komprimiert wird. Das Gas wird in diesem Fall wegen der geringeren Wärmekapazität nur wenig kühlend wirken, so dass damit das Bauteil seine hohe Vorwärmtemperatur weitgehend beibehalten wird.
Wie schon dargelegt, ist es außerdem möglich, dass der Flüssigkolben auch mit einer Vorlageplatte, die dem Wärme- und Diffusionsschutz dient, oder einer weiteren Flüssigkeit ergänzt wird, die auf der als Druckfluid dienenden ionischen Flüssigkeit schwimmt.
Die ionische Flüssigkeit kann schließlich bei entsprechender Gestaltung der Hydroform-Anlage in der Pumpe eine andere (niedrigere) Temperatur haben als im Kontaktbereich zum Gas.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind dort einige Fördergradkurven in Abhängigkeit vom Förderdruck dargestellt, wobei deutlich ersichtlich ist, dass die Anwendung einer ionischen Flüssigkeit (IL) als Hydraulikflüssigkeit einen deutlich höheren Fördergrad erzielt als dies bei klassischen Hydraulikflüssigkeiten der Fall ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Hydroformen von Bauteilen, bei dem ein zu verformendes Werkstück in ein teilbares Werkzeug eingelegt und unter Anwendung von Druck auf ein als Druckübertragungsmittel dienendes Druckfluid zu einem Produkt mit der gewünschten Gestalt geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckfluid beim Hydroformen eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine organische ionische Flüssigkeit verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine anorganische ionische Flüssigkeit verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine Mischung aus organischen und anorganischen Flüssigkeiten verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als ionische Flüssigkeit eine solche verwendet wird, die eine geringe Gaslöslichkeit und/oder hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die als Druckfluid verwendete ionische Flüssigkeit indi- rekt auf das zu formende Bauteil über Gas einwirken lässt, das zuerst in das
Bauteil und/oder in einen davor befindlichen Raum eingefüllt wurde.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch einen aus ionischer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitskolben komprimiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu formende Bauteil vor der Beaufschlagung mit dem durch die ionische Flüssigkeit komprimierten Gas vorgewärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die ionische Flüssigkeit auf das Gas über ein dazwischen angeordnetes
Zwischenmittel einwirken lässt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenmittel eine Vorlageplatte verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenmittel eine weitere Flüssigkeit verwendet wird, die auf der ionischen Flüssigkeit schwimmt.
EP07856575A 2006-12-13 2007-12-11 Verfahren zum hydroformen von bauteilen Not-in-force EP2107953B1 (de)

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