WO2018024635A1 - Verfahren und vorrichtung zur druckumformung von hohlprofilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur druckumformung von hohlprofilen Download PDF

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WO2018024635A1
WO2018024635A1 PCT/EP2017/069171 EP2017069171W WO2018024635A1 WO 2018024635 A1 WO2018024635 A1 WO 2018024635A1 EP 2017069171 W EP2017069171 W EP 2017069171W WO 2018024635 A1 WO2018024635 A1 WO 2018024635A1
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hollow profile
filling
semifinished product
semi
forming
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PCT/EP2017/069171
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Inventor
Alexander Paul
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/041—Means for controlling fluid parameters, e.g. pressure or temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for pressure forming of hollow sections, in particular a method and a device for adjusting final product properties of hollow sections in tempered pressure forming processes.
  • a gas is used as the forming medium in the rule.
  • the semifinished product is subjected to deformation, e.g. heated in an oven, with an inductor, by conduction or contact heating and then positioned with an automatic or manual handling in a tool for forming.
  • the tool for the forming consists of a top and a bottom part, which are installed in a press or the like.
  • the semi-finished product is then inserted into this tool. Then the tool is closed and sealed at the pipe ends by axial sealing units. Only then can the forming process be started.
  • the forming medium here a gas
  • the forming medium is fed into the component from a gas pressure generator unit via hoses or pipes. It is very important from the point of view of forming technology that the pressure build-up (up to 1 .200 bar) must be very fast. Pressure build-up rates of up to 1000 bar / second should be achieved.
  • the pressure buildup rate is highly dependent on the volume of the component. Component volumes of up to 15 liters can already occur. In order to compress these component volumes at a high internal pressure, large pressure accumulators and compressors are required on the gas pressure generator unit.
  • the invention is therefore based on the object to reduce the operating costs in the pressure forming of hollow sections and to provide a suitable method and a device suitable for this purpose.
  • the invention is solved with regard to the method by the subject matter of claim 1.
  • the method according to the invention for pressure-forming hollow profiles with a forming fluid comprises the following steps:
  • Step A Reduction of a volume that can be absorbed by the forming fluid within a hollow profile semifinished product.
  • Step B heating of the hollow profile semifinished product.
  • Step C Forming the heated hollow profile semifinished product by the pressurized forming fluid.
  • Inflowing forming fluid should act on the entire inner surface and at the same time as if no reduction measure of the component volume was present in the hollow profile.
  • the reducing measure of the component volume in the hollow profile should be temperature resistant up to 1100 degrees and should not undergo chemical reactions with the semifinished product.
  • the reduction of the ingestible by the forming fluid volume is preferably accomplished by a filling. It does not matter whether a filling introduced into the interior of the hollow profile semifinished product or the hollow profile semifinished product, for. is applied to a filling. The decisive factor is that the volume that can be absorbed by the forming fluid is reduced.
  • Step A1 providing the hollow profile semi-finished product, for example made of metal, in particular steel or aluminum, preferably in the form of a tube extending along a straight and / or curved tube axis, wherein the tube preferably has one or two open ends, said Pipe particularly preferably over at least a portion along the tube axis or along the entire tube axis has a constant cross-section.
  • the hollow profile semi-finished product for example made of metal, in particular steel or aluminum, preferably in the form of a tube extending along a straight and / or curved tube axis, wherein the tube preferably has one or two open ends, said Pipe particularly preferably over at least a portion along the tube axis or along the entire tube axis has a constant cross-section.
  • Step A2 Bending and / or mechanical shaping of the hollow profile semi-finished product, preferably in the intended form of the final product.
  • Step A3 Coating the hollow profile semi-finished product against scaling.
  • Step A4 filling one, several, or all cavities of the hollow profile semi-finished product, preferably such that the cavity / cavities is / are partially or completely filled, preferably such that the forming fluid to be introduced to the inner wall / inner walls of the filled hollow profile semifinished product can work.
  • Step A5 filling the hollow profile semifinished product with a loose filling material, which is preferably such that it automatically occupies the volume which can be absorbed by the forming fluid, wherein the loose filling material is preferably selected from a group of filling materials comprising: bulk material, for example sand, in particular temperature-resistant quartz sand, or pearls, for example Zirkoniaperlen.
  • Step A6 filling of the hollow profile semifinished product with a flexible and / or moldable and / or variable filling material, which is preferably such that it adapts to an inner contour of the hollow profile semifinished product when filling the hollow profile semifinished product, wherein the filling material is preferred is selected from a group of filling materials, comprising: wire, in particular steel wire, high-temperature resistant heating wire, a telescoping device such as a telescopic cylinder with a solid cylinder and at least one movable relative to the solid cylinder hollow cylinder.
  • Step A7 filling the hollow profile semi-finished product with a solid filler, which is preferably adapted to an inner contour of the hollow profile semi-finished product, wherein the solid filler is preferably selected from a group of fillers comprising: rods, rods, mandrels.
  • Step A8 filling the hollow profile semi-finished product with a heated and / or heated filling, so that the hollow profile semi-finished product at least a portion of or the total amount of heat required in the context of step B can be supplied via the filling.
  • Step A9 Fixing the filling within the hollow profile semifinished product in order to prevent a movement of the filling with respect to the hollow profile semifinished product.
  • Step A10 Closing one, several or all access openings of the filled hollow profile semifinished product, in order to prevent leakage of the filling from the hollow profile semifinished product.
  • the sub-steps mentioned can be carried out in the order given or, if expedient and meaningful, in any other order, if appropriate with omission of one or more sub-steps.
  • the volume which can be absorbed by the shaping fluid can be effectively reduced within the hollow-section semifinished product, so that the amount of forming fluid required for the pressure-forming can be significantly reduced as a result.
  • the loose filler is a bulk material, i. a granular or lumpy mixture which is in a pourable form.
  • the properties of bulk material are determined by the grain size and the grain distribution as well as the bulk density, the angle of repose, the humidity and the temperature.
  • the bulk density is chosen such that the forming fluid can reach the inner walls of the hollow profile semi-finished in any case well.
  • the effect of reducing the ingestible volume of the forming fluid is particularly advantageous when the filling itself is not penetrated by the forming fluid.
  • fillings or filling materials with a closed and pressure-tight surface in particular fillings or filling materials made of solid material, are particularly suitable.
  • step B comprises at least one of the following substeps:
  • Step B1 heating of the hollow profile semi-finished product by induction, conduction, contact heating or in the oven.
  • Step B2 heating the hollow profile semi-finished product to an austenitizing temperature (in the case of steel) or solution annealing temperature (in the case of aluminum).
  • Step B3 Heating of the hollow profile semi-finished product to a working temperature in the range of 500 to 1 100 ° C, preferably from 550 to 1 100 ° C.
  • the heating of the hollow profile semifinished product can take place before and / or after and / or simultaneously with the introduction of the filling.
  • the sub-steps mentioned can be carried out in the order given or, if expedient and meaningful, in any other order, if appropriate with omission of one or more sub-steps.
  • step C comprises at least one of the following substeps:
  • Step C1 introducing the filled and heated hollow profile semi-finished product into a tool for forming, preferably by an automatic handling.
  • Step C2 Closing and / or sealing of the hollow profile semifinished product, preferably by one or more sealing units, wherein the one or more sealing units preferably closes / close one or more access openings of the hollow profile semifinished product.
  • Step C3 Provide a gaseous forming fluid, preferably air, nitrogen or argon.
  • Step C4 Provision of a pressurized forming fluid outside the hollow profile semifinished product, preferably in an accumulator, preferably at working pressure.
  • Step C5 introducing the pressurized forming fluid into the hollow profile semi-finished product, preferably by transferring the forming fluid from a pressure accumulator.
  • Step C6 increasing the pressure within the hollow profile semifinished product with a pressure build-up rate in the range of 10 to 1000 bar per second, preferably in the range of 500 to 1000 bar per second, more preferably in the range of 800 to 1000 bar per second.
  • Step C7 increasing the pressure within the hollow profile semi-finished product to a working pressure, wherein the working pressure is preferably in the range of 1 to 1200 bar, preferably in the range of 100 to 1200 bar, particularly preferably in the range of 300 to 1200 bar.
  • Step C8 Filtration of the forming fluid during deflation from the hollow section semifinished product after conversion to separate filling and forming fluid from each other.
  • Step C9 Remove the filling from the formed hollow profile, preferably in the cooled state.
  • the sub-steps mentioned can be carried out in the order given or, if expedient and meaningful, in any other order, if appropriate with omission of one or more sub-steps.
  • steps A to C are repeated in cycle times of up to 60 seconds, preferably up to 45 seconds, preferably up to 30 or 20 seconds.
  • the object of the invention is achieved with regard to the device by the subject matter of claim 6, relating to a device for pressure forming of hollow profiles by the method according to one of the preceding embodiments.
  • Figure 1 shows a schematic, perspective view (a) and a schematic front view (b) of a process according to the invention to be processed hollow profile semi-finished product.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a forming tool and a hollow-section semi-finished product connected to a pressure accumulator and filled and heated after step C of the method according to the invention.
  • step A of the method according to the invention i. before heating in the context of step B, the tubular hollow profile semi-finished products 1 are bent and preformed mechanically if necessary. If necessary, then the bent or preformed hollow profile semi-finished products 1 are coated against scaling.
  • a filling 2 is produced before the heating of the hollow-section semifinished products 1 introduced into the tube interior.
  • the filling 2 can be distinguished into loose or solid filling material.
  • loose filling material for example temperature-resistant quartz sand or zirconia beads or another comparable loose filling material
  • the ends of the hollow-profile semifinished product 1 must be closed for handling in the further procedure, so that no Fill material can escape during handling.
  • the sealing of the ends of the tubular hollow profile semifinished product 1 can be accomplished via axial cylinders with the mounted sealing dies for closing and sealing a pressure chamber 3.
  • the cavity in the interior of the hollow profile semifinished product 1 should not be completely filled with the loose filling material, but only so much that the pressure on the inner surfaces of the hollow profile semifinished product 1 can attack and act.
  • the amount of gas can be discharged via a certain pressure outlet side (for example, at the other end of the pipe component). Thus, damage to the system is avoided.
  • Solid filling material may be, for example, steel wire (in particular high-temperature resistant heating wire), which is pushed into the bent component before heating and can be adapted by the small diameter of the semi-finished form (bent preform). This can also be done as a bundle. When handling the pipe ends must not be completely closed, would be helpful here a kind of half-shell, so that a slipping can be avoided.
  • steel wire in particular high-temperature resistant heating wire
  • a round bar can be introduced into the hollow profile semifinished product 1.
  • this requires that the bends in the hollow section semifinished product 1 are not too large and that the round rod is smaller than the diameter of the hollow profile semifinished product 1.
  • the round rod should then be fixed at the ends, so that it is not a one-sided position in the hollow section Halftone 1 is coming.
  • the volume of the component can also be reduced with the aid of a telescopic cylinder and a solid cylinder (round rod) mounted thereon.
  • the cylinder approaches the pipe ends, at the same time the integrated telescopic cylinder is retracted into the hollow profile semifinished product 1 and reduces the dead volume in the component.
  • the bent, coated and filled hollow-section semifinished products 1 are then brought to a specific austenitizing temperature (in the case of steel) or solution annealing temperature (in the case of aluminum). This can be between 500 and 1 100 degrees, depending on the application. Austenitizing temperature and duration depend on the materials used, the wall thickness of the hollow profile semifinished product 1 and the necessary degrees of deformation, which are driven in the process.
  • the semifinished product is heated, for example, in a furnace or with an inductor.
  • step C of the method according to the invention the hollow profile semifinished product 1 provided with filling 2 and heated is positioned with automatic or manual handling in a forming tool 3. Then the tool 3 closes and there is a sealing of the pipe ends of the hollow profile semi-finished product 1 by axial sealing units.
  • a pressurized forming gas such as air, nitrogen or argon is then introduced via hoses or pipes in the hollow section semifinished product 1. With pressure build-up rates up to 1000 bar / second, the forming pressure of up to 1 .200 bar is reached very quickly.
  • the amount of gas required for pressure deformation compared to an unfilled hollow profile semifinished product 1 is substantially lower, so that the pressure accumulator 4 can be reduced in size.
  • the amount of gas required for pressure forming can therefore also be compressed much faster and with less energy and brought to the intended forming pressure.
  • the application of a loose filling material from the formed component is achieved by pouring out or blowing out after the forming in the cooled state. Subsequent cleaning of the inside of the pipe can be carried out if necessary or necessary.
  • the effect according to the invention consists in efficiently reducing the dead volume during the forming in the interior of the component in the case of large components.
  • This is advantageously accomplished by a filling 2 introduced into the hollow profile semifinished product 1.
  • a smaller amount of forming fluid must be introduced into the hollow profile semifinished product 1 in the short assembly times.
  • This in turn means that much less pressurized forming fluid, such as precompressed gas, must be provided in pressure accumulators.
  • the investment costs of the entire system are thereby reduced massively, since significantly less pressure accumulators and compressors are necessary.
  • the main field of application is generally the hydroforming / hydroforming of hollow sections and the Hot Metal Gas Forming (HMGF) in particular.
  • HMGF Hot Metal Gas Forming
  • IHB / AHB hydroforming / high pressure sheet metal forming

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Druckumformen von Hohlprofilen mit einem Umformfluid. Um die Betriebskosten bei der Druckumformen von Hohlprofilen zu senken, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: Schritt A: Verringerung eines durch das Umformfluid einnehmbaren Volumens innerhalb eines Hohlprofil-Halbzeugs (1). Schritt B: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs (1). Schritt C: Umformen des erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs (1) durch das mit Druck beaufschlagte Umformfluid.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Druckumformung von Hohlprofilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckumformung von Hohlprofilen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung finaler Produkteigenschaften an Hohlprofilen in temperierten Druck-Umformprozessen.
Technisches Problem
Beim Presshärten und/oder Abschrecken (Quenching)von Hohlprofilen aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, wird als Umformmedium in der Regel ein Gas eingesetzt. Das Halbzeug wird vor der Umformung z.B. in einem Ofen, mit einem Induktor, durch Konduktion oder Kontakterwärmung erwärmt und dann mit einem automatischen oder manuellen Handling in einem Werkzeug für die Umformung positioniert. Das Werkzeug für die Umformung besteht aus einem Oberteil und einem Unterteil, welche in eine Presse oder dergleichen eingebaut sind. In dieses Werkzeug wird dann das Halbzeug eingelegt. Dann wird das Werkzeug geschlossen und an den Rohrenden durch axiale Dichteinheiten abgedichtet. Erst dann kann der Umformprozess gestartet werden.
Das Umformmedium, hier ein Gas, wird von einer Gasdruckerzeugereinheit über Schläuche oder Rohre in das Bauteil geleitet. Dabei ist es aus umformtechnischer Sicht sehr wichtig, dass der Druckaufbau (bis 1 .200 bar) sehr schnell erfolgen muss. Druckaufbauraten bis zu 1000 bar/Sekunde sollten dabei erzielt werden.
Diese extreme schnelle Verdichtung des Gases führt zum eigentlichen technischen Problem. Die Druckaufbaurate ist stark abhängig vom Volumen des Bauteils. Bauteilvolumen bis zu 15 Liter können dabei schon auftreten. Um diese Bauteilvolumen bei einem hohen Innendruck zu verdichten, bedarf es großen Druckspeichern sowie Kompressoren an der Gasdruckerzeugereinheit.
Dies ist wirtschaftlich sehr kostspielig, da ja die gesamte benötigte Gasmenge in diesen Speichern auch vorverdichtet werden muss, was letztendlich sehr viel Energie aber auch Zeit verlangt. In einer Serienfertigung sind bei dieser Umformtechnologie Taktzeiten von 20 bis 30 Sekunden üblich. Dies erfordert große Anstrengungen, diese benötigten Gasvolumen vorzuhalten bzw. bereitzustellen. Im Sinne einer ressourceneffizienten Produktion müssen andere wirtschaftlichere Lösungen gefunden werden. Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, die Betriebskosten bei der Druckumformung von Hohlprofilen zu senken und ein dafür geeignetes Verfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung bereitzustellen.
Die Erfindung wird im Hinblick auf das Verfahren gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 . Das erfindungsgemäße Verfahren zur Druckumformung von Hohlprofilen mit einem Umformfluid umfasst die folgenden Schritte:
Schritt A: Verringerung eines durch das Umformfluid einnehmbaren Volumens innerhalb eines Hohlprofil-Halbzeugs.
Schritt B: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs.
Schritt C: Umformen des erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs durch das mit Druck beaufschlagte Umformfluid.
Der erfindungsgemäße Ansatz für die Lösung des oben genannten technischen Problems ist die Verringerung des Bauteilvolumens im Hohlprofil-Halbzeug, sodass eine deutlich geringere Menge an Umformfluid zur Druckumformung des Hohlprofil-Halbzeugs von Nöten ist. Folgende Anforderungen an der Umsetzung sollten berücksichtigt werden:
Einströmendes Umformfluid sollte an der gesamten Innenfläche und zur gleichen Zeit wirken, als wäre keine reduzierende Maßnahme des Bauteilvolumens im Hohlprofil vorhanden.
Die reduzierende Maßnahme des Bauteilvolumens im Hohlprofil sollte temperaturbeständig bis 1 100 Grad sein und keine chemischen Reaktionen mit dem Halbzeug eingehen.
Das Einbringen aber auch das Ausbringen dieser Maßnahme im Inneren des Hohlprofils sollte keinen großen zusätzlichen Arbeitsschritt generieren und die Taktzeit der Produktion nicht verlangsamen.
Die Verringerung des durch das Umformfluid einnehmbaren Volumens wird vorzugsweise durch eine Füllung bewerkstelligt. Dabei spielt es keine Rolle, ob eine Füllung in den Innenraum des Hohlprofil-Halbzeugs eingebracht oder das Hohlprofil-Halbzeug z.B. auf eine Füllung aufgebracht wird. Maßgeblich ist, dass das durch das Umformfluid einnehmbare Volumen reduziert wird.
Hinsichtlich der Erweiterung der Prozessgrenzen in der Umformung und Anwendung von neuen Technologien sowie eine effiziente Verfahrensintegration des Faktors Temperatur sind auch die nachstehend genannten Ausgestaltungen der Erfindung, die Gegenstände der Unteransprüche sind, von Vorteil.
Es kann von Vorteil sein, Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst:
Schritt A1 : Bereitstellen des Hohlprofil-Halbzeugs, beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, vorzugsweise in Form eines Rohres, das sich entlang einer geraden und/oder gekrümmten Rohrachse erstreckt, wobei das Rohr bevorzugt ein oder zwei offene Enden aufweist, wobei das Rohr besonders bevorzugt über wenigstens einen Teil entlang der Rohrachse oder entlang der gesamten Rohrachse einen konstanten Querschnitt aufweist.
Schritt A2: Biegen und/oder Mechanisches Formen des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise in die bestimmungsgemäße Form des Endprodukts.
Schritt A3: Beschichten des Hohlprofil-Halbzeugs gegen Verzunderung.
Schritt A4: Befüllen eines, mehrerer, oder sämtlicher Hohlräume des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise derart, dass der Hohlraum/die Hohlräume teilweise oder vollständig befüllt ist/sind, bevorzugt derart, dass das einzubringende Umformfluid auf die Innenwand/Innenwände des befüllten Hohlprofil-Halbzeugs wirken kann.
Schritt A5: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem losen Füllmaterial, das vorzugsweise derart beschaffen ist, dass es das durch das Umformfluid einnehmbare Volumen selbsttätig einnimmt, wobei das lose Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Schüttgut, beispielsweise Sand, insbesondere temperaturbeständigen Quarzsand, oder Perlen, beispielsweise Zirkoniaperlen.
Schritt A6: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem flexiblen und/oder formbaren und/oder formveränderlichen Füllmaterial, das vorzugsweise derart beschaffen ist, dass es sich beim Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs einer Innenkontur des Hohlprofil-Halbzeugs an- passt, wobei das Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Draht, insbesondere Stahldraht, hochtemperaturfesten Heizdraht, eine Teleskopiereinrichtung wie einen Teleskopzylinder mit einem Vollzylinder und wenigstens einem gegenüber dem Vollzylinder bewegbaren Hohlzylinder.
Schritt A7: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem festen Füllmaterial, das vorzugsweise einer Innenkontur des Hohlprofil-Halbzeugs angepasst ist, wobei das feste Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Stäbe, Stangen, Dorne.
Schritt A8: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einer beheizbaren und/oder beheizten Füllung, sodass dem Hohlprofil-Halbzeug wenigstens ein Teil der oder die gesamte erforderliche Wärmemenge im Rahmen des Schritts B über die Füllung zugeführt werden kann.
Schritt A9: Fixieren der Füllung innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs, um eine Bewegung der Füllung gegenüber dem Hohlprofil-Halbzeug zu verhindern.
Schritt A10: Verschließen einer, mehrerer oder sämtlicher Zugangsöffnungen des befüllten Hohlprofil-Halbzeugs, um ein Austreten der Füllung aus dem Hohlprofil-Halbzeug zu verhindern.
Die genannten Teilschritte können in der angegebenen Reihenfolge oder, soweit zweckdienlich und sinnvoll, in einer beliebigen anderen Reihenfolge gegebenenfalls unter Auslassung einzelner oder mehrerer Teilschritte ausgeführt werden. Durch die genannten Maßnahmen kann das durch das Umformfluid einnehmbare Volumen innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs effektiv verringert werden, sodass die zur Druckumformung erforderliche Menge an Umformfluid im Ergebnis deutlich reduziert werden kann.
Vorzugsweise ist das lose Füllmaterial ein Schüttgut, d.h. ein körniges oder auch stückiges Gemenge, das in einer schüttfähigen Form vorliegt. Bestimmt werden die Eigenschaften von Schüttgut durch die Korngröße und der Kornverteilung sowie die Schüttdichte, den Schüttwinkel, die Feuchtigkeit und der Temperatur. Bei der Verwendung eines losen Füllmaterials erweist es sich als sinnvoll, wenn die Schüttdichte derart gewählt ist, dass das Umformfluid die Innenwände des Hohlprofil-Halbzeugs in jedem Falle gut erreichen kann.
Der Effekt der Verringerung des durch das Umformfluid einnehmbaren Volumens kommt besonders vorteilhaft zur Geltung, wenn die Füllung selbst nicht von dem Umformfluid durchdrungen wird. Insofern eignen sich besonders Füllungen oder Füllmaterialien mit geschlossener und druckdichter Oberfläche, insbesondere Füllungen oder Füllmaterialien aus Vollmaterial.
Es kann aber auch nützlich sein, wenn Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst:
Schritt B1 : Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs durch Induktion, Konduktion, Kontakterwärmung oder im Ofen. Schritt B2: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs auf eine Austenitisierungstemperatur (bei Stahl) oder Lösungsglühtemperatur (bei Aluminium).
Schritt B3: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs auf eine Arbeitstemperatur im Bereich von 500 bis 1 100 °C, vorzugsweise von 550 bis 1 100 °C.
Das Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs kann vor und/oder nach und/oder gleichzeitig mit dem Einbringen der Füllung erfolgen. Die genannten Teilschritte können in der angegebenen Reihenfolge oder, soweit zweckdienlich und sinnvoll, in einer beliebigen anderen Reihenfolge gegebenenfalls unter Auslassung einzelner oder mehrerer Teilschritte ausgeführt werden.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst:
Schritt C1 : Einbringen des befüllten und erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs in ein Werkzeug zur Umformung, vorzugsweise durch ein automatisches Handling.
Schritt C2: Verschließen und/oder Abdichten des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise durch eine oder mehrere Dichteinheiten, wobei die eine oder mehrere Dichteinheiten bevorzugt eine oder mehrere Zugangsöffnungen des Hohlprofil-Halbzeugs verschließt/verschließen.
Schritt C3: Bereitstellen eines gasförmigen Umformfluids, vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Argon.
Schritt C4: Bereitstellen eines mit Druck beaufschlagten Umformfluids außerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise in einem Druckspeicher, bevorzugt auf Arbeitsdruck.
Schritt C5: Einleiten des mit Druck beaufschlagten Umformfluids in das Hohlprofil-Halbzeug, vorzugsweise durch Überführung des Umformfluids aus einem Druckspeicher.
Schritt C6: Erhöhen des Drucks innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs mit einer Druckaufbaurate im Bereich von 10 bis 1000 bar pro Sekunde, bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 bar pro Sekunde, besonders bevorzugt im Bereich von 800 bis 1000 bar pro Sekunde.
Schritt C7: Erhöhen des Drucks innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs auf einen Arbeitsdruck, wobei der Arbeitsdruck vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1200 bar, bevorzugt im Bereich von 100 bis 1200 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 300 bis 1200 bar liegt. Schritt C8: Filterung des Umformfluids beim Ablassen aus dem Hohlprofil-Halbzeug nach erfolgter Umformung, um Füllung und Umformfluid voneinander zu trennen.
Schritt C9: Entfernen der Füllung aus dem umgeformten Hohlprofil, vorzugsweise im abgekühlten Zustand.
Die genannten Teilschritte können in der angegebenen Reihenfolge oder, soweit zweckdienlich und sinnvoll, in einer beliebigen anderen Reihenfolge gegebenenfalls unter Auslassung einzelner oder mehrerer Teilschritte ausgeführt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Schritte A bis C in Taktzeiten von bis zu 60 Sekunden, vorzugsweise bis zu 45 Sekunden, bevorzugt bis zu 30 oder 20 Sekunden wiederholt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird im Hinblick auf die Vorrichtung gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 6, betreffend eine Vorrichtung zum Druckumformen von Hohlprofilen nach dem Verfahren gemäß einer der vorangehenden Ausführungen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch beliebige Kombinationen der in dieser Anmeldung offenbarten Merkmale.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht (a) und eine schematische Vorderansicht (b) eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitenden Hohlprofil-Halbzeugs.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Umformwerkzeugs und eines mit einem Druckspeicher verbundenen sowie mit Füllung versehenen und erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs nach Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
In Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. vor der Erwärmung im Rahmen des Schritts B, werden die rohrformigen Hohlprofil-Halbzeuge 1 gebogen und bei Notwendigkeit noch mechanisch vorgeformt. Bei Bedarf werden dann die gebogenen bzw. vorgeformten Hohlprofil-Halbzeuge 1 gegen eine Verzunderung beschichtet.
Um das durch das Umformfluid einnehmbare Volumen und folglich die notwendige Menge des Umformfluids zu verringern, wird vor der Erwärmung der Hohlprofil-Halbzeuge 1 eine Füllung 2 in das Rohrinnere eingebracht. Grundsätzlich kann die Füllung 2 in loses oder festes Füllmaterial unterschieden werden.
Wenn loses Füllmaterial, zum Beispiel temperaturbeständiger Quartzsand bzw. Zirkoniaperlen oder ein anderes vergleichbares loses Füllmaterial, in das Hohlprofil-Halbzeug 1 vor der Erwärmung eingebracht wird, dann müssen die Enden des Hohlprofil-Halbzeugs 1 für das Handling im weiteren Verfahrensablauf verschlossen werden, damit kein Füllmaterial beim Handling austreten kann. Im Prozess kann die Abdichtung der Enden des rohrförmigen Hohlprofil-Halbzeugs 1 über Axialzylinder mit den montierten Dichtstempeln zum Verschließen und Abdichten einer Druckkammer 3 bewerkstelligt werden. Der Hohlraum im Inneren des Hohlprofil-Halbzeugs 1 soll nun aber nicht komplett mit dem losen Füllmaterial befüllt werden, sondern nur so viel, dass der Druck an den Innenflächen des Hohlprofil-Halbzeugs 1 angreifen und wirken kann. Nach der Umformung und insbesondere beim Druckabbau muss über ein bestimmtes Filtersystem verhindert werden, dass Bestandteile des losen Füllmaterials in die Druckleitungen bzw. in die Anlage hineingesaugt werden. Alternativ kann über eine bestimmte Druckauslassseite (zum Beispiel am anderen Rohrende des Bauteils) die Gasmenge abgelassen werden. Somit wird eine Beschädigung der Anlage vermieden.
Festes Füllmaterial kann zum Beispiel Stahldraht (im Speziellen hochtemperaturfester Heizdraht) sein, der vor der Erwärmung in das gebogene Bauteil hineingeschoben wird und sich durch den kleinen Durchmesser der Halbzeug-Form (gebogenen Vorform) anpassen kann. Dies kann auch als Bündel erfolgen. Beim Handling müssen die Rohrenden nicht komplett verschlossen sein, hilfreich wäre hier eine Art Halbschale, damit ein Rausrutschen vermieden werden kann.
Alternativ kann auch ein Rundstahl in das Hohlprofil-Halbzeug 1 eingebracht werden. Dies setzt aber voraus dass die Biegungen im Hohlprofil-Halbzeug 1 nicht zu groß sind und dass der Rundstab kleiner ist als der Durchmesser des Hohlprofil-Halbzeugs 1. Der Rundstab sollte dann an den Enden fixiert werden, damit es nicht zu einer einseitigen Lage im Hohlprofil-Halbzeug 1 kommt.
Bei geraden Bauteilen oder bei Bauteilen mit langen und geraden Halbzeugenden kann auch mit Hilfe eines Teleskopzylinders und einem darauf montierten Vollzylinder (Rundstab) das Bauteilvolumen reduziert werden. Nach dem Einlegen des heißen Hohlprofil-Halbzeugs 1 fährt der Zylinder an die Rohrenden heran, gleichzeitig wird der integrierte Teleskopzylinder in das Hohlprofil-Halbzeug 1 eingefahren und reduziert das Totvolumen im Bauteil. In Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dann die gebogenen, beschichteten und befüllten Hohlprofil-Halbzeuge 1 auf eine bestimmte Austenitisierungstemperatur (bei Stahl) oder Lösungsglühtemperatur (bei Aluminium) gebracht. Diese kann zwischen 500 und 1 100 Grad liegen, je nach Anwendung. Austenitisierungstemperatur und -dauer sind abhängig von den eingesetzten Werkstoffen, der Wanddicke des Hohlprofil-Halbzeugs 1 und den notwendigen Umformgraden, die im Prozess gefahren werden. Das Halbzeug wird beispielsweise in einem Ofen oder mit einem Induktor erwärmt.
In Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mit Füllung 2 versehene und erwärmte Hohlprofil-Halbzeug 1 mit einem automatischen oder manuellen Handling in einem Werkzeug zur Umformung 3 positioniert. Dann schließt sich das Werkzeug 3 und es erfolgt eine Abdichtung der Rohrenden des Hohlprofil-Halbzeugs 1 durch axiale Dichteinheiten. Aus einem Druckspeicher 4 wird anschließend ein mit Druck beaufschlagtes Umformgas wie Luft, Stickstoff oder Argon über Schläuche oder Rohre in das Hohlprofil-Halbzeug 1 eingeleitet. Mit Druckaufbauraten bis zu 1000 bar/Sekunde wird der Umformdruck von bis zu 1 .200 bar sehr schnell erreicht.
Aufgrund der Füllung 2 im Inneren des Hohlprofil-Halbzeugs 1 ist die zur Druckumformung erforderliche Gasmenge gegenüber einem ungefüllten Hohlprofil-Halbzeug 1 wesentlich geringer, sodass der Druckspeicher 4 verkleinert werden kann. Die zur Druckumformung erforderliche Gasmenge kann demnach auch wesentlich schneller und mit geringerem Energieaufwand verdichtet und auf den bestimmungsgemäßen Umformdruck gebracht.
Das Ausbringen eines losen Füllmaterials aus dem umgeformten Bauteil wird durch ein Ausschütten oder Ausblasen nach der Umformung im abgekühlten Zustand erreicht. Eine anschließende Reinigung der Rohrinnenseite kann bei Bedarf bzw. Notwendigkeit durchgeführt werden.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Die erfindungsgemäße Wirkung besteht darin, das Totvolumen während der Umformung im Bauteilinneren bei großen Bauteilen effizient zu reduzieren. In vorteilhafter Weise wird dies durch eine in das Hohlprofil-Halbzeug 1 eingebrachte Füllung 2 bewerkstelligt. Dadurch muss eine geringere Menge an Umformfluid in den kurzen Aufbauzeiten in das Hohlprofil-Halbzeug 1 eingeleitet werden. Das wiederum hat zur Folge, dass deutlich weniger mit Druck beaufschlagtes Umformfluid, beispielsweise vorverdichtetes Gas, in Druckspeichern bereitgestellt werden muss. Dies führt in Folge, über den gesamten Prozess betrachtet, zu deutlich geringeren Energieaufwendungen. Die Investitionskosten der gesamten Anlage reduzieren sich dadurch massiv, da deutlich weniger Druckspeicher und Kompressoren notwendig sind. Auch die Betriebskosten bei der Fertigung werden deutlich sinken, zum einen durch die reduzierten notwendigen Gasmengen und zum anderen durch die reduzierten Druckluftmengen und Strom, die zum Betrieb der Speicher und Kompressoren benötigt werden, um das Gas auf rund 1.200 bar zu verdichten. Es wird davon ausgegangen, dass durch diese technische Maßnahme die benötigte Energie um bis zu 70 Prozent reduziert werden kann.
Die Einstellung der gewünschten Produkteigenschaften muss nicht zwangsläufig durch den Um- formprozess realisiert werden, sondern ist auch in separaten Prozessen möglich.
Das Hauptanwendungsgebiet ist im Allgemeinen die Innenhochdruck- Umformung/Außenhochdruck-Umformung von Hohlprofilen und das Hot Metal Gas Forming (HMGF) im Besonderen. Eine Anwendung auf die Innenhochdruck- Blechumformung/Außenhochdruck- Blechumformung (IHB/AHB) ist mit Anpassung der Konstruktion ebenfalls möglich.
Bezugszeichenliste
1 Hohlprofil-Halbzeug
2 Füllung
3 Werkzeug zur Umformung
4 Druckspeicher

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Druckumformen von Hohlprofilen mit einem Umformfluid, umfassend die Schritte: a. Schritt A: Verringerung eines durch das Umformfluid einnehmbaren Volumens innerhalb eines Hohlprofil-Halbzeugs (1 ). b. Schritt B: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs (1 ). c. Schritt C: Umformen des erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs (1 ) durch das mit Druck beaufschlagte Umformfluid.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst: a. Schritt A1 : Bereitstellen des Hohlprofil-Halbzeugs, beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, vorzugsweise in Form eines Rohres, das sich entlang einer geraden und/oder gekrümmten Rohrachse erstreckt, wobei das Rohr bevorzugt ein oder zwei offene Enden aufweist, wobei das Rohr besonders bevorzugt über wenigstens einen Teil entlang der Rohrachse oder entlang der gesamten Rohrachse einen konstanten Querschnitt aufweist. b. Schritt A2: Biegen und/oder Mechanisches Formen des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise in die bestimmungsgemäße Form des Endprodukts. c. Schritt A3: Beschichten des Hohlprofil-Halbzeugs gegen Verzunderung. d. Schritt A4: Befüllen eines, mehrerer, oder sämtlicher Hohlräume des Hohlprofil- Halbzeugs, vorzugsweise derart, dass der Hohlraum/die Hohlräume teilweise oder vollständig befüllt ist/sind, bevorzugt derart, dass das einzubringende Umformfluid auf die Innenwand/Innenwände des befüllten Hohlprofil-Halbzeugs wirken kann. e. Schritt A5: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem losen Füllmaterial, das vorzugsweise derart beschaffen ist, dass es das durch das Umformfluid einnehmbare Volumen selbsttätig einnimmt, wobei das lose Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Schüttgut, bei- spielsweise Sand, insbesondere temperaturbeständigen Quarzsand, oder Perlen, beispielsweise Zirkoniaperlen. f. Schritt A6: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem flexiblen und/oder formbaren und/oder formveränderlichen Füllmaterial, das vorzugsweise derart beschaffen ist, dass es sich beim Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs einer Innenkontur des Hohlprofil-Halbzeugs anpasst, wobei das Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Draht, insbesondere Stahldraht, hochtemperaturfesten Heizdraht, eine Telekopiereinrichtung wie einen Teleskopzylinder mit einem Vollzylinder und wenigstens einem gegenüber dem Vollzylinder bewegbaren Hohlzylinder. g. Schritt A7: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einem festen Füllmaterial, das vorzugsweise einer Innenkontur des Hohlprofil-Halbzeugs angepasst ist, wobei das feste Füllmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Füllmaterialien, umfassend: Stäbe, Stangen, Dorne. h. Schritt A8: Befüllen des Hohlprofil-Halbzeugs mit einer beheizbaren und/oder beheizten Füllung, sodass dem Hohlprofil-Halbzeug wenigstens ein Teil der oder die gesamte erforderliche Wärmemenge im Rahmen des Schritts B über die Füllung zugeführt werden kann. i. Schritt A9: Fixieren der Füllung innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs, um eine Bewegung der Füllung gegenüber dem Hohlprofil-Halbzeug zu verhindern. j. Schritt A10: Verschließen einer, mehrerer oder sämtlicher Zugangsöffnungen des befüllten Hohlprofil-Halbzeugs, um ein Austreten der Füllung aus dem Hohlprofil- Halbzeug zu verhindern.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst: a. Schritt B1 : Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs durch Induktion, Konduktion, Kontakterwärmung oder im Ofen. b. Schritt B2: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs auf eine Austenitisierungstemperatur oder Lösungsglühtemperatur. c. Schritt B3: Erwärmen des Hohlprofil-Halbzeugs auf eine Arbeitstemperatur im Bereich von 500 bis 1 100 °C, vorzugsweise von 550 bis 1 100 °C.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte umfasst: a. Schritt C1 : Einbringen des befüllten und erwärmten Hohlprofil-Halbzeugs in ein Werkzeug zu Umformung, vorzugsweise durch ein automatisches Handling. b. Schritt C2: Verschließen des Werkzeugs und/oder Abdichten des Hohlprofil- Halbzeugs, vorzugsweise durch eine oder mehrere Dichteinheiten, wobei die eine oder mehrere Dichteinheiten bevorzugt eine oder mehrere Zugangsöffnungen des Hohlprofil-Halbzeugs verschließt/verschließen. c. Schritt C3: Bereitstellen eines gasförmigen Umformfluids, vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Argon. d. Schritt C4: Bereitstellen eines mit Druck beaufschlagten Umformfluids außerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs, vorzugsweise in einem Druckspeicher, bevorzugt auf Arbeitsdruck. e. Schritt C5: Einleiten des mit Druck beaufschlagten Umformfluids in das Hohlprofil- Halbzeug, vorzugsweise durch Überführung des Umformfluids aus einem Druckspeicher. f. Schritt C6: Erhöhen des Drucks innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs mit einer Druckaufbaurate im Bereich von 10 bis 1000 bar pro Sekunde, bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 bar pro Sekunde, besonders bevorzugt im Bereich von 800 bis 1000 bar pro Sekunde. g. Schritt C7: Erhöhen des Drucks innerhalb des Hohlprofil-Halbzeugs auf einen Arbeitsdruck, wobei der Arbeitsdruck vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1200 bar, bevorzugt im Bereich von 100 bis 1200 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 300 bis 1200 bar liegt. h. Schritt C8: Filterung des Umformfluids beim Ablassen aus dem Hohlprofil- Halbzeug nach erfolgter Umformung, um Füllung und Umformfluid voneinander zu trennen. i. Schritt C9: Entfernen der Füllung aus dem umgeformten Hohlprofil, vorzugsweise im abgekühlten Zustand.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte A bis C in Taktzeiten von bis zu 60 Sekunden, vorzugsweise bis zu 45 Sekunden, bevorzugt bis zu 30 oder 20 Sekunden wiederholt werden.
Vorrichtung zum Druckumformen von Hohlprofilen nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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