WO2022248299A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines hohlkörpers mit räumlich variierender wanddicke - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines hohlkörpers mit räumlich variierender wanddicke Download PDF

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WO2022248299A1
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hollow body
body blank
holder
wall thickness
blank
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Elmar Beeh
Stephan ALTVATER
Karl-Heinz Lindner
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • B21K21/00—Making hollow articles not covered by a single preceding sub-group
    • B21K21/08—Shaping hollow articles with different cross-section in longitudinal direction, e.g. nozzles, spark-plugs

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hollow body with a spatially varying wall thickness along a longitudinal axis of the hollow body.
  • the invention also relates to a device for producing a hollow body with a spatially varying wall thickness along a longitudinal axis of the hollow body.
  • EP 0 157 894 A1 discloses a method for increasing the thickness of a tubular part.
  • DE 10 2012 003 174 A1 discloses a method for producing a hollow profile with sections of different wall thicknesses, the hollow profile being made of a deformable material.
  • the method comprises the steps of defining a first and a second section of the hollow profile at stations spaced apart from one another, an upsetting device and forming an upsetting limiting space, moving the first and second station towards one another so that a section of the tubular profile to be upset, which is between the first and second Stop is angeord net, is compressed in the compression limitation space, wherein when moving towards each other the first and second stop of the section to be compressed from the hollow profile is subjected to a vibration.
  • JP 2016-055292 A discloses a method for increasing the circumference of a thickened part of a metal stem.
  • DE 199 44 679 A1 discloses a method for producing a hollow metal body with a cross-sectional shape that changes in the longitudinal direction a tubular blank is sealed at the end, is placed on a tool in a form corresponding to the target contour, is subjected to high pressure from the inside by a pressure medium, the tube being pushed axially towards one another at its two ends during the deformation process.
  • the blank has a higher temperature in its cross-sectional shape in the area of these high degrees of forming than in the area of lower degrees of forming.
  • DE 10 2004 013 872 A1 discloses a method for forming a metallic hollow body in a forming tool and at elevated temperature and under internal pressure, with at least one end of the hollow body protruding beyond the forming tool, with the formation of the tool shape and/or the forces acting on the hollow body Forming parameters are chosen so that the hollow body retains the original shape outside of the tool substantially.
  • DE 10 2017 127 158 A1 discloses a method for forming a hollow body blank as a workpiece in a forming tool with at least one locking device for the hollow body blank, the forming tool having at least one engraving for receiving the hollow body blank during forming.
  • the forming takes place in the solution annealing area of the material of the workpiece to be formed, with the hollow body being held by the locking device in such a way that material of the hollow body can flow into the engraving and/or that material of the workpiece is actively pushed into the engraving, or that the forming takes place on the basis of the material of the hollow body blank, which is located within the engraving be.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, with which a hollow body with a spatially varying wall thickness can be produced in a simple manner.
  • this object is achieved according to the invention in that a hollow body blank, which extends in the longitudinal axis between a first end and a second end, is held on a first holder in a region of the first end and in a region of the second end is held on a second holder, the hollow body blank is locally heated to a deformation temperature in one or more areas between the first end and the second end, and after the deformation temperature has been reached, the hollow body blank is moved by relative movement of the first holder and of the second holder is compressed.
  • That area of the hollow body blank in which the wall thickness is to be influenced can be selected in a targeted manner. This area is then influenced accordingly by heating to the forming temperature.
  • the local area has an extension along the longitudinal axis which is smaller than the length between the first end and the second end and in particular a length along the longitudinal axis of at most 50%, in particular at most 40%, preferably at most 30%, preferably no more than 20% of the total length along the longitudinal axis between the first end and the second end.
  • the hollow body blank is upset and the corresponding heated wall material is upset by the closing movement of the first holder and the second holder.
  • the wall thickness increases at the corresponding locally heated point (and only there).
  • the wall thickness in a compressed area increases outwards and increases inwards.
  • the relative strength compared to surrounding areas of smaller wall thicknesses increases, so that the thickening is stopped or slowed down until the surrounding areas of the same temperature also have the same cross-sectional area (the same wall thickness).
  • hollow bodies with different wall thicknesses can be produced.
  • the increase in wall thickness to the outside and the increase in wall thickness to the inside is correlated with the prevailing temperature.
  • This correlation can be determined in preliminary studies.
  • the correlation determined can in turn be used as a process parameter or set of process parameters in process control or process regulation.
  • a hollow body blank can be processed sequentially (cyclically) in order to obtain an influence on the wall thickness in particular at (various) defined points.
  • a hollow body blank can be repeatedly subjected to the step combination of heating and compression in order to influence different wall areas accordingly.
  • the method according to the invention makes it possible to produce hollow bodies which, in terms of their wall thickness, can be optimized and adapted to corresponding applications.
  • a corresponding load dissipation or load absorption for the hollow body can be set in a defined manner.
  • a used starting hollow body blank has a uniform wall thickness
  • the hollow body blank is made of a metallic material.
  • the starting hollow body blank is the hollow body blank that is used at the very beginning of a process and, for example, also of a cyclic operation.
  • a starting hollow body blank with a uniform wall thickness can be produced in a simple manner.
  • the corresponding wall thickness can then be influenced.
  • the result when the procedural steps of Heat compression is either a finished hollow body or a hollow body blank, which is then subjected to the same process again.
  • the hollow body blank is made of a metallic material
  • the corresponding deformation process with local heating and compression can be carried out in a simple manner.
  • the metallic material used is, for example, aluminium, magnesium or steel or a metallic alloy.
  • the hollow body blank is locally heated over its entirety. This allows the wall thickness to be influenced at the corresponding local point over an entire cross-sectional area of the hollow body blank.
  • the hollow body blank is heated locally to the forming temperature so that when the upsetting process is carried out, wall material of the hollow body blank flows at a heated point, and in particular heating to at least approximately a solution annealing temperature of the wall material is provided .
  • a flow limit for the hollow body blank is reached at the heated point, the wall material can give way to a certain extent during an upsetting process in order to thicken the wall.
  • heating to the solution annealing temperature takes place.
  • the solution annealing temperature is (for alloys) the temperature at which all the elements necessary for the formation of precipitations in the metal structure are in solution.
  • At least one of the following parameters is controlled and/or regulated and/or adjusted: a thermal profile of the local heating; a start timing of upsetting after heating; - an upset speed.
  • the course of the wall thickness of the hollow body produced can then be adjusted accordingly.
  • a (current) outer geometry of the hollow body blank is determined during an upsetting process and the process is influenced in a way that is adapted as a function of the determination results.
  • the process can be influenced at a suitable point in time in order to be able to produce the wall thickness distribution as desired.
  • a targeted influencing can then be carried out accordingly during the implementation of the method in order to obtain a desired wall thickness distribution.
  • the external geometry is determined using at least one of the following:
  • buttons By means of a contact device, which in particular comprises one or more buttons; - By means of a button, which is a ceramic element;
  • the outer geometry can be determined without contact and, in particular, optically, or via contacting, in particular with at least one ceramic button which is correspondingly heat-resistant.
  • At least one template device is used, by means of which an external geometry for the hollow body blank is specified.
  • the template device results in a geometric blockage in order to be able to set the wall thickness progression in a targeted manner.
  • the at least one template device geometrically blocks an expansion of material of the hollow body blank at the position of the template device, wherein in particular the template device is made of a material with a thermal conductivity of less than 1 W/(mK);
  • the at least one template device is thermally conductive and heat is dissipated locally from the hollow body blank via the at least one template device and/or the hollow body blank is locally cooled via the at least one template device;
  • the wall formation can then be influenced during the production process via the template device, in particular with regard to the wall thickness on the hollow body blank.
  • the first holder and/or the second holder are designed as a template device and have an immersion area for a wall element of the hollow body blank.
  • a holder as a template device, a wall profile with regard to the wall thickness can be specified in the area of the holder.
  • this template device is designed on a holder in such a way that it "sets" a defined wall area in terms of its thickness by geometric blocking and/or by heat supply or heat dissipation.
  • the method is carried out cyclically, so that a corresponding wall thickness profile as desired is produced on a hollow body blank at the same and/or different points.
  • a manufactured hollow body is used again as a hollow body blank for further process steps with heating and compression.
  • first holder and the second holder are designed as a stamping die. A compression can thereby be achieved in a simple manner.
  • a hollow body can thus be produced which is optimally adapted to an application. For example, it is advantageous if a hollow body with a uniformly increasing wall thickness is produced for a freely projecting supporting structure.
  • a hollow body with a stepped wall thickness is advantageous, for example, in applications that are supported on both sides, but where there is asymmetric loading.
  • the step is preferably edge-free.
  • a device of the type mentioned comprising:
  • a first holder for holding a hollow body blank in the region of a first end of the hollow body blank, and a second holder for holding the hollow body blank in the region of a second end of the hollow body blank;
  • a heating device by means of which the hollow body blank, which sits in the first holder and in the second holder, can be heated locally.
  • the method according to the invention can be carried out by the device according to the invention, or the method according to the invention can be carried out on the device according to the invention.
  • the device according to the invention has the advantages already explained in connection with the method according to the invention.
  • the device according to the invention makes it possible to produce hollow bodies with an adapted, spatially varying wall thickness distribution.
  • a cooling device with which the hollow body blank can be locally cooled.
  • a flow process with a change in wall thickness can be "frozen”. It is possible to influence the process to a certain extent “in situ”. For example, CO 2 spray cooling takes place.
  • a determination device via which an external geometry of the hollow body blank can be determined, in particular with at least one of the following:
  • An optical determination device which determines the external geometry without contact
  • a contact device which comprises at least one button and in particular comprises at least one ceramic button.
  • the (current) external geometry can be determined in a simple manner by the determination device during a manufacturing process. A corresponding influencing of the method can then be carried out.
  • a ceramic probe can be used to scan the outside of the hollow body blank in order to measure the outside geometry. It is favorable if a control and/or regulation device is provided which controls and/or regulates at least one of the following:
  • a hollow body can be manufactured in a reproducible manner, for example.
  • the implementation of the process can be controlled in such a way that optimized results are obtained.
  • control and/or regulation device receives and evaluates signals from a determination device for an external geometry of the hollow body blank and carries out control and/or regulation on the basis of these signals. Parameters can then also be changed while the method is being carried out, or additional steps could be carried out in order to obtain an optimized result.
  • a template device for determining the external geometry of the hollow body blank.
  • the external geometry can be specifically set using the template device.
  • the template device defines the external geometry, for example by means of a geometric blockade. It can alternatively or additionally be provided that a heat supply and/or heat dissipation takes place in order to influence a hollow body blank accordingly.
  • the upsetting process is only minimally affected by a template device for influencing the external geometry; the template device can be placed around the hollow body blank and does not affect the infeed movement of the holders on one another.
  • Figure 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a device for producing a hollow body with spatially varying wall thickness, wherein a hollow body blank is clamped;
  • FIG. 2 shows a schematic partial illustration of the device according to FIG. 1 during a heating process
  • FIG. 3 as a further method step, schematically an upsetting process with the device according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a view similar to FIG. 3 in a variant of an embodiment of a device with a determination device for an external geometry of a hollow body blank and with a cooling device;
  • FIG. 5 shows schematically a further exemplary embodiment of a device according to the invention with a template device, with a heating process being shown schematically;
  • FIG. 6 shows an upsetting process in the device according to FIG. 5, the template device being active;
  • FIG. 7 schematically shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention with a template device which is integrated in a holder;
  • FIG. 8 shows a sectional view of a first exemplary embodiment of a hollow body which was produced using the method according to the invention or the device according to the invention;
  • FIG. 9 shows a sectional illustration of a second exemplary embodiment of a hollow body which was produced using the method according to the invention or the device according to the invention.
  • FIG. 10 shows a sectional view of a third exemplary embodiment of a hollow body which was produced using the method according to the invention or the device according to the invention.
  • a first exemplary embodiment of a device according to the invention for producing a hollow body which is shown schematically in a sectional view in Figure 1 and in a partial view in Figures 2 and 3 and is denoted by 10, comprises an infeed device 12.
  • the infeed device 12 has a machine frame 14 , on which a first holder 16 and a second holder 18 sit spaced.
  • the first holder 16 and the second holder 18 are each designed as a stamping die.
  • the first holder 16 and the second holder 18 can be moved relative to one another via the infeed device 12 in order to be able to upset a workpiece which is held on the machine frame 14 via the first holder 16 and the second holder 18 .
  • either the first holder 16 or the second holder 18 is movably arranged on the machine frame 14, or they are both the first holder 16 and the second holder 18 are movably arranged on the machine frame 14 .
  • the first holder 16 and/or the second holder 18 are held on the delivery device 12 so that they can move linearly in a direction 20 .
  • the direction 20 also corresponds to a distance direction between the first holder 16 and the second holder 18.
  • a longitudinal axis 24 of this workpiece 22 is oriented parallel to the direction 20 of the infeed mobility of the first holder 16 and the second holder 18.
  • the device 10 includes a heating device 26.
  • the heating device 26 is fixed or movable between the first holder 16 and the second holder 18 positioned. It is designed in such a way that a clamped workpiece 22 can be locally heated at a predetermined point 28 .
  • the heating takes place all around the workpiece 22.
  • the heating device 26 comprises, for example, a first half-shell 30 and a second half-shell 32, which can then be positioned to surround the workpiece 22 accordingly.
  • the heating device 26 comprises a ring element.
  • the local heating at the point 28 via the heating device 26 takes place, for example, by inductive heating. Other heating options can be provided.
  • An extension of the point 28 in the direction of the longitudinal axis 24 is smaller than the total extension of the workpiece 22 in this direction and is in particular at most 50% and preferably at most 40% of the total length of the workpiece 22 along the longitudinal axis 24.
  • the heating device 26 is arranged so that it can be locked in the direction 20 with respect to the machine frame 14, so that a selected local point 28 can be "approached” and heated in a targeted manner.
  • the device 10 includes a control and/or regulating device 34. This controls the heating device 26 and controls the delivery device 12.
  • the control and/or regulation device 34 can be used, for example, to set a heating profile of the workpiece 22 via the heating device 26 . Through them, for example, a start time of the position of the first holder 16 and the second holder 18 can be adjusted relative to each other. In particular, they can also be used to set a delivery speed (upsetting speed).
  • control and/or regulation device 34 it is also possible, for example, for the control and/or regulation device 34 to specify the position of the heating device 26 .
  • a hollow body (see, for example, FIGS. 8 to 10) which has a varying wall thickness D is to be produced with the device 10 .
  • the hollow body is in particular made of a metallic material.
  • a hollow body blank 36 is used as the workpiece.
  • This hollow-body blank 36 has a wall 38 made of a metallic wall material.
  • the wall 38 surrounds a cavity 40.
  • the hollow body blank 36 has a first end 42 and an opposite second end 44.
  • the hollow body blank 36 has a longitudinal axis 24; the hollow body extends between the first end 42 and the second end 44 along the longitudinal axis 24.
  • a starting hollow body blank 36' before the upsetting process described below has a uniform thickness D of the wall 38 (FIG. 1).
  • the hollow body blank 36 is held by the first holder 16 in the area of the first end 42 and is held by the second holder 18 in the area of the second end 44 .
  • the first holder 16 and the second holder 18 each have a receptacle 46 which is delimited by a wall 48 .
  • the hollow body blank 36 is immersed in its entirety in the corresponding seat 46 of the first holder 16 via the area at the first end 42 and is immersed in its entirety in the corresponding seat 46 of the second holder 18 via the area of the second end 44 .
  • the receptacles 46 are designed in such a way that the hollow body blank 36 on the holders 16, 18 cannot deviate transversely to the longitudinal axis 24 during an upsetting process.
  • a heating is then subsequently carried out via the heating device 26 at the desired local point 28 .
  • the forming temperature is selected so that during a subsequent upsetting process, the wall material flows at point 28 (cf. FIG. 3) and only flows there.
  • the deformation temperature which is to be reached by heating in the heating device 26, corresponds to a solution annealing temperature of the wall material in the case of an alloy as the wall material.
  • the upsetting process (FIG. 3) is initiated by an infeed movement of the holders 16, 18 on the infeed device 12.
  • the wall material of the hollow-body blank 36 is upset at point 28 in the area of the highest temperature and the wall thickness increases at point 28 outwards and inwards (towards the cavity 40); see figure 3.
  • the relative strength compared to surrounding areas of smaller wall thickness increases, so that in the area of increasing wall thicknesses, the thickening is stopped or slowed down until the surrounding areas of the same temperature have also reached the same wall thickness.
  • the relative strength increases from a temperature in the region of the solution annealing temperature to lower temperatures.
  • a variant of the device 10 additionally has a determination device 50, via which an outer geometry 52 of the hollow body blank 36 can be determined.
  • the determination device 50 is an optical determination device that optically detects the outer geometry 52 in a non-contact manner.
  • the determination device 50 is a contact device 54.
  • the contact device 54 comprises one or more buttons 56, in particular made of a ceramic material Material.
  • a probe 56 is in contact with the hollow body blank 36 in order to determine its outer geometry 52 .
  • a button 56 is designed, for example, as a temperature sensor or summarizes a temperature sensor. By determining the temperature accordingly, it can then be determined whether the button 56 is in contact with the hollow body blank 36 and the outer geometry 52 can thereby be determined.
  • an electrical parameter may be determined via a button 56, via which the presence of a contact or the absence of a contact can be determined.
  • buttons 56 are to a certain extent contact switches which, upon contact with the outside of the hollow body blank 36, report a change such as temperature change or an electrical parameter.
  • the message is sent to the control and/or regulation device 34, which is connected to the determination device 50 in a signal-effective manner.
  • a cooling device 58 is also provided.
  • the cooling device 58 is activated via the control and/or regulating device 34 .
  • the hollow body blank 36 can be cooled locally via the cooling device 58 .
  • a cooling pulse (indicated by reference number 60 in FIG. 4) can be emitted via the cooling device 58 for brief local cooling.
  • the cooling device 58 comprises one or more cooling nozzles 62.
  • the cooling takes place, for example, via CO 2 snow jet cooling.
  • the heating device 26 can be moved in a direction 64 parallel to the direction 20 relative to the machine frame 14 in order to be able to select the corresponding local point 28 for the heating compression in order to be able to set the wall thickness locally in a targeted manner.
  • the cooling device 58 can also be moved in the direction 64 in order to be able to cool a selected local point in a targeted manner.
  • the probes 56 can be positioned accordingly in order to be able to determine the outer geometry 52 at the desired location.
  • the heating device 26 applies local heat to the hollow body blank 36. If the process is carried out appropriately, a known energy input results, for example with inductive heating via the heating device 26 for a selected material of the wall 38 of the hollow body blank 36 and with a given geometry of the hollow body - Blank 36 always the same heat profile. If then the same timing is chosen for the start of the upsetting process with the infeed movement and the same upsetting speed accordingly, the result is a reproducible way of having the same wall thickness distribution of the corresponding body made from the hollow body blank 36 .
  • the open-loop and/or closed-loop control device 34 then adjusts the heat profile, the start time of the infeed movement and the upsetting speed as the infeed speed of the first holder 16 and the second holder 18 relative to one another.
  • the process can be controlled or regulated by determining and also checking (see below) the outer geometry 52 .
  • the local wall thickness can be deduced by determining the external geometry 52 .
  • the process is influenced in particular by changing the upsetting speed (depending on the application by accelerating the upsetting process or slowing down the upsetting process), or alternatively or additionally through targeted local cooling via the cooling device 58. In principle, it is also possible for post-heating to be carried out.
  • the heat distribution in the hollow body blank 36 can be changed locally.
  • a compression process and in particular the change in wall thickness can be stopped locally through targeted local cooling. In this way, a locally achieved wall thickness can be frozen to a certain extent. For this purpose, this local area is correspondingly subjected to cooling surges.
  • the wall thickness achieved there which was determined (indirectly) via the outer geometry 52 via a corresponding button 56 in the region 66, is determined by the cooling device 58 via one or more cooling pulses.
  • the method can be carried out several times with a corresponding hollow body blank 36 in order to obtain a corresponding wall thickness profile.
  • the hollow body blank 36 in its initial state was referred to above as the starting hollow body blank 36'.
  • a hollow body blank 36 which has already gone through the process of heating and upsetting, no longer has a uniform wall thickness in comparison to the starting hollow body blank 36'. It can be used as a hollow body blank 36 for a further process, in which case, in particular, heating is carried out at another local point 28 in order to influence the wall thickness there accordingly. It can be carried out in the longitudinal axis 24 at different points chronologically networked different machining processes to adjust the wall thickness. An optimized wall thickness distribution of the corresponding manufactured hollow body can then be achieved for an application, which in particular is variably aligned in accordance with the load.
  • the wall thickness transitions can be achieved continuously in their geometric progression.
  • the wall thickness transitions are continuous (differentiable) in the process and not abrupt. As a result, damaging stress peaks that would otherwise occur can be avoided when using a corresponding hollow body.
  • FIGS. 5 and 6 A further exemplary embodiment of a device according to the invention, which is shown in a partial illustration in FIGS. 5 and 6, is basically of the same design as the device 10. The same reference symbols are used for the same elements.
  • the device 68 also includes a template device 70.
  • the template device 70 can be used to define an external geometry 52 of the hollow body blank 36 that is to be machined.
  • the template device 70 forms a calibration profile, by means of which the outer geometry 52 can be defined, for example by geometric blocking (by positive locking).
  • the template device 70 comprises a first half-shell 72 and a second half-shell 74 .
  • the template device 70 is designed to be movable in such a way that a heating step can be carried out without hindrance.
  • the heating step is basically carried out as described above (see Figure 5). At a local point 76, the hollow body blank 36 is heated to the forming temperature.
  • the template device 70 is positioned in such a way that it does not impede this heating step.
  • the heating device 26 is then removed far enough for the template device 70 to be positioned. This is indicated in FIG. 5 by the arrow with reference number 78 .
  • the heating device 26 has a first half-shell 30 and a second half-shell 32 in order to enable correspondingly easy removal.
  • the template device 70 is then positioned at the local location 76 . This is indicated in FIG. 5 by the arrow with reference number 80 .
  • the template device 70 comprises the first half-shell 72 and the second half-shell 74 in order to enable this corresponding positioning.
  • the template device 70 is adapted and designed in such a way that accordingly there is no expansion or only a predetermined expansion of the wall of the hollow body blank 36 at the local point 76; the geometry of the template device 70 defines the external geometry 52 at the local location 76 .
  • heat shrinkage of the template device 70 must be taken into account when forming the template device 70 .
  • the upsetting process is then carried out with the template device 70 (cf. FIG. 6) positioned by a feed movement of the first holder 16 and the second holder 18 relative to one another, then at Contact with the template device 70 stops the local accumulation of material of the wall material of the hollow body blank 36 .
  • this stopping process takes place by geometrically blocking a further deformation. It is then advantageous if the template device 70 is made of a material with low heat conduction. In particular, the thermal conductivity of this material is below 1 W/(mK) and in particular below 0.1 W/(mK).
  • the template device 70 it is possible for local cooling to take place at the local point 76 via the template device 70 or for heat to be dissipated. This cooling or heat dissipation takes place through the contact of the template device 70 with the material of the hollow body blank 36 at the local point 26. Accordingly, the template device 70 must then be made of a material with high thermal conductivity and in particular metallic thermal conductivity.
  • the hollow body blank 36 When the hollow body blank 36 is cooled or further cooled, it detaches from the template device 70 by thermal shrinkage.
  • FIG second holder 86 In a further exemplary embodiment of a device according to the invention, which is shown schematically in a partial illustration in FIG second holder 86 is integrated.
  • the second holder 86 as a stamping stamp itself forms a template (a calibration profile) which geometrically predetermines the course of the wall.
  • the holder 86 includes a receptacle 88.
  • This receptacle 88 is ring-shaped.
  • the recordings of the holder 16 or 18 in the device 10 are, for example, hollow-cylindrical.
  • the receptacle 88 forms an immersion area 90, which defines a wall area 92 of the hollow body blank 36 inwards (towards the cavity 40 and outwards in a direction transverse to the longitudinal axis 24). .
  • the receptacles 46 only act to define the transverse direction to the longitudinal axis 24 outwards, away from the cavity 40.
  • the corresponding wall area 92 which is immersed in the immersion area 90, is thereby defined in its outer geometry 52 and in its inner geometry 94 (towards the cavity 40).
  • the wall area 92 which is positioned in the immersion area 90 , is limited in its radial extent transversely to the longitudinal axis 24 .
  • the wall area 92 which is immersed in the immersion area 90, has a precisely defined wall thickness, which does not change significantly when the method is carried out.
  • the second holder 86 is made in particular from a poorly thermally conductive material (in particular with a thermal conductivity below 1 W/(mK)).
  • the device 82 also includes the template device 70, as described above with regard to the device 68 be.
  • elements of the device 10, the device 68 and the device 82 can be combined with one another or are implemented in one device.
  • local heating takes place first via the heating device 26 and then compression. It the outer geometry 52 can be monitored via the determination device 50 or set via the template device 70 or 84.
  • a hollow body blank 36 can be processed differently at different points.
  • FIG. 8 shows a sectional illustration of a first exemplary embodiment of a hollow body 96 produced in a corresponding manner.
  • This hollow body 96 is, for example, an aluminum profile or magnesium profile. It has a wall 98 whose wall thickness D gradually decreases along the longitudinal axis 24 . The decrease is evenly continuous.
  • Such a hollow body 96 (tubular profile) is used, for example, when a freely projecting supporting structure is necessary.
  • This supporting structure then has an area 100 with a greater wall thickness.
  • An application example is a front side rail structure of a vehicle. This has thinner walls in an area 102 than in area 100. In the event of an impact event in the vehicle, energy can be absorbed in area 102 by the formation of fold bulges. Due to the increase in the wall thickness (opposite to a direction of travel) in the area 100, a supporting structure that is more stable against buckling and failure is achieved with a relatively low weight.
  • FIG. 1 A further exemplary embodiment of a hollow body that has been produced is shown in cross section in FIG.
  • This hollow body has a first region 106 with a uniform wall thickness D and an adjoining second region with a uniform wall thickness D, the wall thickness in the second region 108 being smaller than in the first region 106.
  • the hollow body 104 may have a plurality of such transition regions 110 .
  • An exemplary application of such a hollow body 104 with a step-like (but continuous) transition area 110 are construction parts that are mounted on both sides and experience an asymmetric load.
  • a specific embodiment is the support structure of an instrument panel support in a vehicle.
  • such supporting structures are subjected to greater loads than on the passenger side.
  • hollow bodies 104 can then be produced which have load-adapted wall thickness distributions.
  • FIG. 112 A further exemplary embodiment of a hollow body is shown in FIG. Along the longitudinal axis 24 , this hollow body 112 initially has an increasing wall thickness D, starting from a first end 114 , which then decreases again towards an opposite second end 116 .
  • This hollow body 112 is thickened in a middle region 118 .
  • a hollow body is advantageous for components subjected to bending loads or bridge-like components. Examples of applications are roof cross members, door impact beams or front and rear bumper cross members (bumpers).
  • the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to produce hollow bodies (profile components) with a desired application-adapted wall thickness distribution, with the wall thickness varying along the longitudinal axis 24 .
  • the position of the heating device 26 determines at which local point 28 thickening is to take place. This thickening is achieved by the subsequent compression process.
  • a forming process for example, as described in DE 199 44 679 A1 or DE 10 2004 013 872 A1, can then be carried out on a hollow body produced by the method according to the invention or by a device according to the invention.
  • Device infeed device machine frame first holder second holder in the direction of the longitudinal axis of the workpiece
  • Control and/or regulation device 36' hollow body blank

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers mit räumlich variierender Wanddicke längs einer Längsachse (24) des Hohlkörpers bereitgestellt, wobei ein Hohlkörper-Rohling (36), welcher sich in der Längsachse zwischen einem ersten Ende (42) und einem zweiten Ende (44) erstreckt, in einem Bereich des ersten Endes (42) an einem ersten Halter (16) gehalten wird und in einem Bereich des zweiten Endes (44) an einem zweiten Halter (18) gehalten wird, der Hohlkörper-Rohling (36) lokal an einem oder mehreren Bereichen (28) zwischen dem ersten Ende (42) und dem zweiten Ende (44) auf eine Umformungstemperatur erwärmt wird, und nach Erreichen der Umformungstemperatur der Hohlkörper-Rohling (36) durch relative Zubewegung des ersten Halters (16) und des zweiten Halters (18) gestaucht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers mit räumlich variierender Wanddicke längs einer Längsachse des Hohlkörpers.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers mit räumlich variierender Wanddicke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers mit räumlich variierender Wanddicke längs einer Längsachse des Hohlkörpers.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hohl körpers mit räumlich variierender Wanddicke längs einer Längsachse des Hohlkörpers.
Die EP 0 157 894 Al offenbart ein Verfahren zur Erhöhung der Dicke eines rohrförmigen Teils.
Die DE 10 2012 003 174 Al offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils mit Abschnitten unterschiedlicher Wandstärken, wobei das Hohl profil aus einem verformbaren Material ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte Festlegen eines ersten und eines zweiten Abschnittes des Hohl profils an zueinander beabstandeten Haltestellen, einer Stauchungsvorrichtung und Ausbilden eines Stauchungsbegrenzungsraumes, Aufeinanderzubewegen der ersten und zweiten Haltestelle, so dass ein zu stauchender Abschnitt des rohrförmigen Profils, der zwischen der ersten und zweiten Haltestelle angeord net ist, in den Stauchungsbegrenzungsraum gestaucht wird, wobei beim Auf einanderzubewegen der ersten und zweiten Haltestelle der zu stauchende Ab schnitt des Hohlprofils mit einer Schwingung beaufschlagt wird.
Die JP 2016-055292 A offenbart ein Verfahren zur Vergrößerung des Umfangs eines verdickten Teils eines Metallschafts.
Die DE 199 44 679 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Metallkörpers, mit sich in Längsrichtung ändernder Querschnittsform, wobei ein rohrförmiger Rohling endseitig abgedichtet wird, in eine der Sollkontur entsprechende Form an ein Werkzeug gelegt wird, durch ein Druckmittel von innen mit hohem Druck beaufschlagt wird, wobei das Rohr an seinen beiden Enden während des Verformungsvorgangs axial aufeinander zugeschoben wird. Der Rohling weist während der Umformung zur Herstellung von Berei chen mit hohen Umformgraden in seiner Querschnittsform im Bereich dieser hohen Umformungsgrade eine höhere Temperatur auf, als im Bereich geringe rer Umformgrade.
Die DE 10 2004 013 872 Al offenbart ein Verfahren zur Umformung eines metallischen Hohlkörpers in einem Umformwerkzeug und erhöhter Temperatur und unter Innendruck, wobei der Hohlkörper mit zumindest einem Ende über das Umformwerkzeug übersteht, wobei die Ausbildung der Werkzeugform und/oder die auf den Hohlkörper einwirkenden Umformparameter so gewählt sind, dass der Hohlkörper außerhalb des Werkzeugs die ursprüngliche Form im Wesentlichen beibehält.
Die DE 10 2017 127 158 Al offenbart ein Verfahren zum Umformen eines Hohlkörper-Rohlings als Werkstück in einem Umformwerkzeug mit mindestens einer Zuhaltevorrichtung für den Hohlkörper-Rohling, wobei das Umformwerk zeug mindestens eine Gravur zur Aufnahme des Hohlkörper-Rohlings während der Umformung aufweist. Es erfolgt die Umformung im Lösungsglühbereich des Materials des zu formenden Werkstücks, wobei durch die Zuhalte vorrichtung der Hohlkörper so gehalten wird, dass Material des Hohlkörpers in die Gravur nachfließen kann und/oder, dass Material des Werkstücks aktiv in die Gravur hineingeschoben wird, oder dass die Umformung auf der Basis des Materials des Hohlkörper-Rohlings erfolgt, der sich innerhalb der Gravur be findet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge nannten Art bereitzustellen, mit dem sich auf einfache Weise ein Hohlkörper mit räumlich variierender Wanddicke hersteilen lässt. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Hohlkörper-Rohling, welcher sich in der Längsachse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, in einem Bereich des ersten Endes an einem ersten Halter gehalten wird und in einem Bereich des zweiten Endes an einem zweiten Halter gehalten wird, der Hohl körper-Rohling lokal an einem oder mehreren Bereichen zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende auf eine Umformungstemperatur erwärmt wird, und nach Erreichen der Umformungstemperatur der Hohlkörper-Rohling durch relative Zubewegung des ersten Halters und des zweiten Halters gestaucht wird.
Durch die lokale Erwärmung lässt sich derjenige Bereich des Hohlkörper- Rohlings, bei dem eine entsprechende Beeinflussung der Wanddicke erfolgen soll, gezielt auswählen. Durch die Erwärmung auf die Umformungstemperatur wird dann dieser Bereich entsprechend beeinflusst.
Der lokale Bereich weist eine Erstreckung längs der Längsachse auf, welche kleiner ist als die Länge zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende und insbesondere eine Länge entlang der Längsachse von höchstens 50 %, ins besondere von höchstens 40 %, vorzugsweise von höchstens 30 %, vorzugs weise von höchstens 20 % der Gesamtlänge längs der Längsachse zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende hat.
Durch die Zubewegung des ersten Halters und des zweiten Halters wird der Hohlkörper-Rohling gestaucht und das entsprechende erwärmte Wandmaterial gestaucht. An der entsprechend lokal erwärmten Stelle (und nur dort) nimmt die Wanddicke zu.
Insbesondere nimmt die Wandstärke in einem gestauchten Bereich nach außen zu und nimmt nach innen zu. Im Bereich wachsender Wandstärken nimmt die relative Festigkeit gegenüber umliegenden Bereichen kleinerer Wandstärke zu, so dass die Aufdickung gestoppt oder verlangsamt wird, bis auch umliegende Bereiche gleicher Temperatur die gleiche Querschnittsfläche (die gleiche Wandstärke) erreicht haben. Entsprechend lassen sich Hohlkörper mit unterschiedlicher Wandstärke hersteilen.
Die Wandstärkenzunahme nach außen und das Wandstärkenwachstum nach innen ist mit der herrschenden Temperatur korreliert. Diese Korrelation ist in Voruntersuchungen ermittelbar. Die ermittelte Korrelation kann wiederum als Prozessparameter oder Prozessparametersatz bei der Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung verwendet werden.
Ein Hohlkörper-Rohling kann zeitlich nacheinander (zyklisch) bearbeitet werden, um an insbesondere (verschiedenen) definierten Stellen eine Wand stärkenbeeinflussung zu erhalten. Insbesondere kann ein Hohlkörper-Rohling mehrmals der Schrittkombination von Erwärmung und Stauchung ausgesetzt werden, um unterschiedliche Wandbereiche entsprechend zu beeinflussen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Hohlkörper hersteilen, welche in ihrer Ausbildung bezüglich der Wandstärke optimiert an ent sprechende Anwendungen anpassbar sind. Es lässt sich eine entsprechende Lastableitung, beziehungsweise Lastaufnahme für den Hohlkörper definiert einstellen.
Günstig ist es, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist:
- ein verwendeter Start-Hohlkörper-Rohling weist eine einheitliche Wanddicke auf;
- der Hohlkörper-Rohling ist aus einem metallischen Material.
Der Start-Hohlkörper-Rohling ist derjenige Hohlkörper-Rohling, welcher ganz am Anfang eines Prozesses und beispielsweise auch eines zyklischen Vorgangs eingesetzt wird. Ein Start-Hohlkörper-Rohling mit einheitlicher Wanddicke lässt sich auf einfache Weise hersteilen. Es kann dann die entsprechende Wand dicke beeinflusst werden. Das Ergebnis, wenn die Verfahrensschritte der Erwärmungsstauchung durchgeführt werden, ist entweder ein fertig herge stellter Hohlkörper, oder ein Hohlkörper-Rohling, welcher dann entsprechend wieder dem Verfahren unterzogen wird.
Wenn der Hohlkörper-Rohling aus einem metallischen Material ist, dann lässt sich der entsprechende Verformungsprozess mit lokaler Erwärmung und Stau chung auf einfache Weise durchführen. Das verwendete metallische Material ist beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Stahl bzw. eine metallische Legierung.
Insbesondere wird der Hohlkörper-Rohling lokal vollumfänglich erwärmt. Dadurch lässt sich über eine gesamte Querschnittsfläche des Hohlkörper- Rohlings an der entsprechenden lokalen Stelle eine Wanddickenbeeinflussung erreichen.
Günstig ist es, wenn der Hohlkörper-Rohling so lokal auf die Umformungs temperatur erwärmt wird, dass bei Durchführung des Stauchvorgangs Wand material des Hohlkörper-Rohlings an einer erwärmten Stelle fließt, und ins besondere ist eine Erwärmung auf mindestens näherungsweise eine Lösungs glühtemperatur des Wandmaterials vorgesehen. Wenn eine Fließgrenze für den Hohlkörper-Rohling an der erwärmten Stelle erreicht ist, dann kann bei einem Stauchvorgang Wandmaterial gewissermaßen ausweichen, um eine Wandverdickung zu erreichen. Insbesondere erfolgt eine Erwärmung auf die Lösungsglühtemperatur. Die Lösungsglühtemperatur ist (bei Legierungen) die Temperatur, bei der alle zur Bildung von Ausscheidungen im Metallgefüge nötigen Elemente sich in Lösung befinden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuerung und/oder Regelung und/oder Einstellung mindestens eines der folgenden Parameter erfolgt: eines Wärmeprofils der lokalen Erwärmung; eines Startzeitpunkts des Stauchvorgangs nach Erwärmung; - einer Stauchgeschwindigkeit.
Es lässt sich dann entsprechend der Verlauf der Wanddicke beim hergestellten Hohlkörper einstellen.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird eine (aktuelle) Außen geometrie des Hohlkörper-Rohlings bei einem Stauchvorgang ermittelt und in Abhängigkeit von Ermittlungsergebnissen erfolgt eine angepasste Prozess beeinflussung. Durch die Ermittlung der Außengeometrie kann zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Beeinflussung des Prozesses erfolgen, um ent sprechend die Wandstärkenverteilung wie gewünscht hersteilen zu können.
Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn die Prozessbeeinflussung min destens eines der Folgenden umfasst:
- eine Änderung der Stauchgeschwindigkeit;
- eine Durchführung einer lokalen Kühlung des Hohlkörper-Rohlings;
- eine Durchführung einer (weiteren) lokalen Erwärmung.
Es lässt sich dann entsprechend während der Verfahrensdurchführung noch eine gezielte Beeinflussung durchführen, um eine gewünschte Wanddicken verteilung zu erhalten.
Günstig ist es, wenn eine Ermittlung der Außengeometrie über mindestens eines der Folgenden erfolgt:
- durch optische und insbesondere kontaktlose Ermittlung;
- mittels einer Kontakteinrichtung, welche insbesondere einen oder mehrere Taster umfasst; - mittels eines Tasters, welcher ein keramisches Element ist;
- mittels einer Kontakteinrichtung, welche Temperaturmessungen und/oder elektrische Messungen durchführt.
Es lässt sich entsprechend die Außengeometrie kontaktlos und insbesondere optisch ermitteln, beziehungsweise über Kontaktierung, insbesondere mit min destens einem keramischen Taster, welcher entsprechend hitzebeständig ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens eine Schabloneneinrichtung verwendet wird, mittels welcher eine Außen geometrie für den Hohlkörper-Rohling vorgegeben wird. Durch die Schablo neneinrichtung erfolgt beispielsweise eine geometrische Blockade, um gezielt den Wanddickenverlauf einstellen zu können.
Insbesondere ist dann mindestens eines der Folgenden vorgesehen:
- die mindestens eine Schabloneneinrichtung blockiert geometrisch eine Ausdehnung von Material des Hohlkörper-Rohlings an der Position der Schabloneneinrichtung, wobei insbesondere die Schabloneneinrichtung aus einem Material mit einer Wärmeleit fähigkeit kleiner als 1 W/(mK) ist;
- die mindestens eine Schabloneneinrichtung ist wärmeleitend und über die mindestens eine Schabloneneinrichtung wird lokal Wärme von dem Hohlkörper-Rohling abgeführt und/oder über die min destens eine Schabloneneinrichtung wird der Hohlkörper-Rohling lokal gekühlt;
Es lässt sich dann während des Herstellungsprozesses über die Schablonen einrichtung die Wandausbildung insbesondere bezüglich der Wanddicke an dem Hohlkörper-Rohling beeinflussen. Bei einer Ausführungsform sind der erste Halter und/oder der zweite Halter als Schabloneneinrichtung ausgebildet und weisen einen Eintauchbereich für ein Wandungselement des Hohlkörper-Rohlings auf. Durch die Ausbildung eines Halters als Schabloneneinrichtung lässt sich im Bereich des Halters ein Wand verlauf bezüglich der Wanddicke vorgeben. Insbesondere ist diese Schablo neneinrichtung an einem Halter so ausgebildet, dass sie durch geometrische Blockade und/oder durch Wärmezufuhr beziehungsweise Wärmeabfuhr einen definierten Wandungsbereich bezüglich seiner Dicke "einstellt".
Es kann vorgesehen sein, dass nach Beendigung eines Stauchvorgangs min destens eine weitere lokale Erwärmung an einer räumlich verschiedenen Stelle durchgeführt wird und ein anschließender Stauchungsvorgang durchgeführt wird. Insbesondere wird das Verfahren zyklisch durchgeführt, so dass an einem Hohlkörper-Rohling an gleichen und/oder unterschiedlichen Stellen ein entsprechender Wanddickenverlauf wie gewünscht erzeugt wird. Es wird gewissermaßen ein hergestellter Hohlkörper wieder als Hohlkörper-Rohling für weitere Verfahrensschritte mit Erwärmung und Stauchung verwendet.
Günstig ist es, wenn der erste Halter und der zweite Halter als Stauchstempel ausgebildet sind. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine Stauchung er reichen.
Ganz besonders vorteilhalft ist es, wenn der Hohlkörper mit mindestens einem der folgenden Bereiche hergestellt wird:
- mit einem Bereich mit längs der Längsachse gleichmäßig zunehmen der oder abnehmender Wanddicke; mit einem Bereich mit einer Stufenausbildung der Wanddicke; - mit einem Bereich mit einer größeren Wanddicke im Vergleich zu den benachbarten Bereichen, zwischen welchen der Bereich mit ver größerter Wanddicke liegt.
Es lässt sich so ein Hohlkörper hersteilen, welcher optimiert an eine Anwen dung angepasst ist. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn ein Hohlkörper mit gleichmäßig zunehmender Wanddicke für eine frei auskragende Tragstruktur hergestellt wird.
Ein Hohlkörper mit einer Stufenausbildung der Wanddicke ist beispielsweise vorteilhaft bei Anwendungen, die beidseitig gelagert sind, wobei jedoch eine asymmetrische Belastung vorliegt. Die Stufe ist dabei vorzugsweise kantenfrei.
Für biegebelastete oder brückenartige Bauteile kann es vorteilhaft sein, wenn ein Bereich mit einer größeren Wanddicke zwischen Bereichen mit kleinerer Wanddicke liegt.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit gestellt, umfassend:
- einen ersten Halter zum Halten eines Hohlkörper-Rohlings im Bereich eines ersten Endes des Hohlkörper-Rohlings, und einen zweiten Halter zum Halten des Hohlkörper-Rohlings im Bereich eines zweiten Endes des Hohlkörper-Rohlings;
- eine Zustelleinrichtung, mittels welcher der erste Halter und der zweite Halter relativ zueinander zubewegbar sind, um den Hohl körper-Rohling zu stauchen;
- eine Erwärmungseinrichtung, mittels welcher der Hohlkörper- Rohling, welcher in dem ersten Halter und im zweiten Halter sitzt, lokal erwärmbar ist. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren kann an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich Hohlkörper mit ange passter, räumlich variierender Wanddickenverteilung hersteilen.
Günstig ist es, wenn eine Kühleinrichtung vorhanden ist, mit welcher der Hohl körper-Rohling lokal kühlbar ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein Fließ prozess mit einer Wandstärkenänderung "einfrieren". Es ist dadurch eine Ver fahrensbeeinflussung gewissermaßen "in situ" möglich. Beispielsweise erfolgt eine C02-Sprühkühlung.
Ferner günstig ist es, wenn eine Ermittlungseinrichtung vorgesehen ist, über welche eine Außengeometrie des Hohlkörper-Rohlings ermittelbar ist, ins besondere mit mindestens einem der Folgenden:
- es ist eine optische Ermittlungseinrichtung vorgesehen, welche die Außengeometrie berührungslos ermittelt;
- es ist eine Kontakteinrichtung vorgesehen, welche mindestens einen Taster umfasst und insbesondere mindestens einen keramischen Taster umfasst.
Durch die Ermittlungseinrichtung lässt sich auf einfache Weise während eines Herstellungsvorgangs die (aktuelle) Außengeometrie bestimmen. Es kann dann eine entsprechende Verfahrensbeeinflussung durchgeführt werden. Über einen keramischen Taster lässt sich eine Außenseite des Hohlkörper-Rohlings abtasten, um die Außengeometrie auszumessen. Günstig ist es, wenn eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung vorge sehen ist, welche mindestens eines der Folgenden steuert und/oder regelt:
- ein Wärmeprofil für die Erwärmung des Hohlkörper-Rohlings durch die Erwärmungseinrichtung;
- eine Startzeit für die relative Zubewegung des ersten Halters und des zweiten Halters;
- eine Stauchgeschwindigkeit;
- ein Kühlvorgang an dem Hohlkörper-Rohling.
Durch die entsprechende Steuerung, beziehungsweise Einstellung dieser Para meter lässt sich beispielsweise auf reproduzierbare Weise ein Hohlkörper her steilen. Es lässt sich die Verfahrensdurchführung so steuern, dass sich opti mierte Ergebnisse ergeben.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungs- und/oder Regelungs einrichtung Signale einer Ermittlungseinrichtung für eine Außengeometrie des Hohlkörper-Rohlings empfängt und auswertet und auf Grundlage dieser Sig nale eine Steuerung und/oder Regelung durchführt. Es kann dann auch während der Verfahrensdurchführung eine Änderung von Parametern erfolgen, beziehungsweise es könnten zusätzliche Schritte durchgeführt werden, um ein optimiertes Ergebnis zu erhalten.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Schabloneneinrichtung zur Fest legung einer Außengeometrie des Hohlkörper-Rohlings vorgesehen ist. Durch die Schabloneneinrichtung lässt sich die Außengeometrie gezielt einstellen. Die Schablonen-Einrichtung legt beispielsweise durch eine geometrische Blockade die Außengeometrie fest. Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass über die Schabloneneinrichtung eine Wärmezuführung und/oder Wärme- abführung erfolgt, um so entsprechend einen Hohlkörper-Rohling zu beein flussen. Durch eine Schabloneneinrichtung zur Beeinflussung der Außen geometrie wird der Stauchprozess nur minimal beeinflusst; die Schablonen einrichtung lässt sich gewissermaßen um den Hohlkörper-Rohling legen und beeinflusst die Zustellbewegung der Halter aufeinander nicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers mit räumlich variierender Wanddicke, wobei ein Hohlkörper-Rohling einge spannt ist;
Figur 2 eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung gemäß Figur 1 bei einem Erwärmungsvorgang;
Figur 3 als weiteren Verfahrensschritt schematisch einen Stauchvorgang mit der Vorrichtung gemäß Figur 1;
Figur 4 eine ähnliche Ansicht wie Figur 3 bei einer Variante eines Aus führungsbeispiels einer Vorrichtung mit einer Ermittlungseinrich tung für eine Außengeometrie eines Hohlkörper-Rohlings und mit einer Kühleinrichtung;
Figur 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Vorrichtung mit einer Schabloneneinrichtung, wobei schematisch ein Erwärmungsvorgang gezeigt ist;
Figur 6 ein Stauchvorgang bei der Vorrichtung gemäß Figur 5, wobei die Schabloneneinrichtung wirksam ist; Figur 7 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung mit einer Schabloneneinrichtung, welche in einen Halter integriert ist;
Figur 8 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hohlkörpers, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung her gestellt wurde;
Figur 9 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hohlkörpers, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung her gestellt wurde;
Figur 10 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Hohlkörpers, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung her gestellt wurde.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Her stellung eines Hohlkörpers, welches in Figur 1 schematisch in einer Schnitt darstellung und in Figuren 2 und 3 in einer Teildarstellung gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Zustelleinrichtung 12. Die Zustelleinrichtung 12 weist ein Maschinengestell 14 auf, an welchem ein erster Halter 16 und ein zweiter Halter 18 beabstandet sitzen. Der erste Halter 16 und der zweite Halter 18 sind jeweils als Stauchstempel ausgebildet.
Über die Zustelleinrichtung 12 sind der erste Halter 16 und der zweite Halter 18 relativ aufeinander zufahrbar, um ein Werkstück, welches über den ersten Halter 16 und zweiten Halter 18 an dem Maschinengestell 14 gehalten ist, stauchen zu können. Es ist dazu entweder der erste Halter 16 oder der zweite Halter 18 beweglich an dem Maschinengestell 14 angeordnet, oder es sind sowohl der erste Halter 16 als auch der zweite Halter 18 beweglich an dem Maschinengestell 14 angeordnet.
Der erste Halter 16 und/oder der zweite Halter 18 sind an der Zustelleinrich tung 12 in einer Richtung 20 linear beweglich gehalten. Die Richtung 20 ent spricht auch einer Abstandsrichtung zwischen dem ersten Halter 16 und dem zweiten Halter 18.
Wenn ein Werkstück 22 an der Vorrichtung 10 über den ersten Halter 16 und den zweiten Halter 18 gehalten ist, dann ist eine Längsachse 24 dieses Werk stücks 22 parallel zu der Richtung 20 der Zustellbeweglichkeit des ersten Halters 16 und des zweiten Halters 18 orientiert.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Erwärmungseinrichtung 26. Die Erwärmungs einrichtung 26 ist fest oder beweglich zwischen dem ersten Halter 16 und dem zweiten Halter 18 positioniert. Sie ist so ausgebildet, dass ein eingespanntes Werkstück 22 an einer vorgegebenen Stelle 28 lokal erwärmt werden kann.
Die Erwärmung erfolgt dabei vollumfänglich um das Werkstück 22.
Die Erwärmungseinrichtung 26 umfasst beispielsweise eine erste Halbschale 30 und eine zweite Halbschale 32, welche dann entsprechend das Werkstück 22 umgebend positionierbar sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Erwärmungseinrichtung 26 ein Ring element umfasst.
Die lokale Erwärmung an der Stelle 28 über die Erwärmungseinrichtung 26 erfolgt beispielsweise durch induktive Erhitzung. Auch andere Erhitzungs möglichkeiten können vorgesehen sein.
Eine Ausdehnung der Stelle 28 in Richtung der Längsachse 24 ist dabei kleiner als die Gesamt-Ausdehnung des Werkstücks 22 in diese Richtung und beträgt insbesondere höchstens 50 % und vorzugsweise höchstens 40 % der Gesamt länge des Werkstücks 22 längs der Längsachse 24.
Insbesondere ist die Erwärmungseinrichtung 26 in der Richtung 20 feststellbar beweglich bezüglich des Maschinengestells 14 angeordnet, so dass eine ausge wählte lokale Stelle 28 gezielt "angefahren" und erwärmt werden kann.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 34. Diese steuert die Erwärmungseinrichtung 26 an und steuert die Zustell einrichtung 12 an.
Durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 34 kann beispielsweise ein Erwärmungsprofil des Werkstücks 22 über die Erwärmungseinrichtung 26 eingestellt werden. Durch sie kann beispielsweise ein Startzeitpunkt der Zu stellung des ersten Halters 16 und des zweiten Halters 18 relativ zueinander eingestellt werden. Durch sie kann weiterhin insbesondere eine Geschwindig keit der Zustellung (Stauchgeschwindigkeit) eingestellt werden.
Es ist beispielsweise auch möglich, durch die Steuerungs- und/oder Rege lungseinrichtung 34 die Position der Erwärmungseinrichtung 26 vorzugeben.
Mit der Vorrichtung 10 soll ein Hohlkörper (vgl. beispielsweise die Figuren 8 bis 10) hergestellt werden, welche eine variierende Wanddicke D aufweist. Der Hohlkörper ist insbesondere aus einem metallischen Material.
Es wird als Werkstück ein Hohlkörper-Rohling 36 verwendet. Dieser Hohl körper-Rohling 36 weist eine Wandung 38 aus einem metallischem Wandungs material auf. Die Wandung 38 umgibt einen Hohlraum 40. Der Hohlkörper- Rohling 36 hat ein erstes Ende 42 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 44. Der Hohlkörper-Rohling 36 weist, wie oben erwähnt, eine Längsachse 24 auf; der Hohlkörper erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 42 und dem zweiten Ende 44 längs der Längsachse 24.
Ein Start-Hohlkörper-Rohling 36' vor dem unten beschriebenen Stauchungs prozess weist eine einheitliche Dicke D der Wandung 38 auf (Figur 1).
Der Hohlkörper-Rohling 36 ist über den ersten Halter 16 im Bereich des ersten Endes 42 gehalten und ist über den zweiten Halter 18 im Bereich des zweiten Endes 44 gehalten.
Der erste Halter 16 und der zweite Halter 18 weisen jeweils eine Aufnahme 46 auf, welche durch eine Wandung 48 begrenzt ist. Der Hohlkörper-Rohling 36 ist über den Bereich an dem ersten Ende 42 in die entsprechende Aufnahme 46 des ersten Halters 16 als Ganzes eingetaucht, und ist über den Bereich des zweiten Endes 44 als Ganzes in die entsprechende Aufnahme 46 des zweiten Halters 18 eingetaucht.
Die Aufnahmen 46 sind so ausgebildet, dass bei einem Stauchvorgang der Hohlkörper-Rohling 36 an den Haltern 16, 18 nicht quer zu der Längsachse 24 ausweichen kann.
Zur Bearbeitung des Hohlkörper-Rohlings 36 wird dieser in die Vorrichtung 10 ungestaucht eingesetzt und ist dann über den ersten Halter 16 und den zweiten Halter 18 gehalten (Figur 1).
Es wird dann anschließend über die Erwärmungseinrichtung 26 an der ge wünschten lokalen Stelle 28 eine Erwärmung durchgeführt. Es erfolgt dabei lokal eine Aufheizung auf eine Umformungstemperatur. Die Umformungs temperatur wird so gewählt, dass bei einem nachfolgenden Stauchvorgang das Wandmaterial an der Stelle 28 fließt (vgl. Figur 3) und dabei nur dort fließt. Insbesondere entspricht die Umformungstemperatur, welche über Erwärmung in der Erwärmungseinrichtung 26 erreicht werden soll, bei einer Legierung als Wandmaterial einer Lösungsglühtemperatur des Wandmaterials.
Der Stauchvorgang (Figur 3) wird durch eine Zustellbewegung der Halter 16, 18 an der Zustelleinrichtung 12 eingeleitet. Es wird Wandmaterial des Hohl körper-Rohling 36 an der Stelle 28 im Bereich der höchsten Temperatur gestaucht und die Wandstärke nimmt an der Stelle 28 nach außen und nach innen (zu dem Hohlraum 40 zu) zu; siehe Figur 3.
Im Bereich wachsender Wandstärken nimmt die relative Festigkeit gegenüber umliegenden Bereichen kleinerer Wandstärke zu, so dass im Bereich wachsen der Wandstärken die Aufdickung gestoppt oder verlangsamt wird, bis auch umliegende Bereiche gleicher Temperatur die gleiche Wandstärke erreicht haben.
Die relative Festigkeit nimmt ausgehend von einer Temperatur im Bereich der Lösungsglühtemperatur zu niedrigeren Temperaturen hin zu.
Es lassen sich dadurch Hohlkörper (Profile) mit lokal unterschiedlicher Wand stärke hersteilen.
Eine Variante der Vorrichtung 10 weist zusätzlich eine Ermittlungseinrichtung 50 auf, über welche sich eine Außengeometrie 52 des Hohlkörper-Rohlings 36 ermitteln lässt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Ermittlungseinrichtung 50 eine optische Ermittlungseinrichtung, welche berührungslos optisch die Außengeometrie 52 erfasst.
Bei einem alternativen oder kombinierten Ausführungsbeispiel ist die Ermittlungseinrichtung 50 eine Kontakteinrichtung 54. Die Kontakteinrichtung 54 umfasst ein oder mehrere Taster 56 insbesondere aus einem keramischen Material. Ein Taster 56 steht bei einem Ermittlungsvorgang (Messvorgang) in Kontakt mit dem Hohlkörper-Rohling 36, um dessen Außengeometrie 52 zu ermitteln.
Ein Taster 56 ist beispielsweise als Temperatursensor ausgebildet oder um fasst einen Temperatursensor. Durch eine entsprechende Temperatur ermittlung kann dann ermittelt werden, ob ein Kontakt des Tasters 56 mit dem Hohlkörper-Rohling 36 vorliegt und dadurch die Außengeometrie 52 bestimmt werden.
Beispielsweise ist es auch möglich, dass über einen Taster 56 ein elektrischer Parameter ermittelt wird, über den das Vorliegen eines Kontaktes oder das Nichtvorliegen eines Kontaktes bestimmbar ist.
Die Taster 56 sind gewissermaßen Kontaktschalter, welche bei Kontakt mit der Außenseite des Hohlkörper-Rohling 36 eine Änderung wie Temperatur änderung oder eines elektrischen Parameters melden.
Die Meldung erfolgt dabei an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 34, welche signalwirksam mit der Ermittlungseinrichtung 50 verbunden ist.
Es ist weiterhin eine Kühleinrichtung 58 vorgesehen. Die Kühleinrichtung 58 ist über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 34 angesteuert. Über die Kühleinrichtung 58 lässt sich der Hohlkörper-Rohling 36 lokal kühlen. Insbe sondere lässt sich über die Kühleinrichtung 58 ein Kühlstoß (in Figur 4 durch das Bezugszeichen 60 angedeutet) zur kurzzeitigen lokalen Kühlung abgeben.
Die Kühleinrichtung 58 umfasst insbesondere dazu eine oder mehrere Kühl düsen 62.
Die Kühlung erfolgt beispielsweise über C02-Schnee-Strahlkühlung. Wie oben erwähnt ist die Erwärmungseinrichtung 26 in einer Richtung 64 parallel zu der Richtung 20 relativ zu dem Maschinengestell 14 beweglich, um gezielt die entsprechende lokale Stelle 28 für die Erwärmungsstauchung aus wählen zu können, um dadurch wiederum gezielt lokal die Wandstärke ein stellen zu können.
Entsprechend ist die Kühleinrichtung 58 ebenfalls in der Richtung 64 beweg lich, um gezielt eine ausgewählte lokale Stelle kühlen zu können. Ferner sind die Taster 56 entsprechend positionierbar, um die Außengeometrie 52 an der gewünschten Stelle ermitteln zu können.
Durch die Erwärmungseinrichtung 26 erfolgt ein lokaler Wärmeeintrag an dem Hohlkörper-Rohling 36. Bei entsprechender Verfahrensführung ergibt sich aus einem bekannten Energieeintrag beispielsweise bei induktiver Erwärmung über die Erwärmungseinrichtung 26 für ein ausgewähltes Material der Wandung 38 der Hohlkörper-Rohlings 36 und bei vorgegebener Geometrie des Hohlkörper- Rohlings 36 ein immer gleiches Wärmeprofil. Wenn dann ein gleicher Zeit ablauf für den Start des Stauchvorgangs mit der Zustellbewegung gewählt wird und entsprechend die gleiche Stauchgeschwindigkeit, ergibt sich auf reproduzierbare Weise eine gleiche Wandstärkenverteilung des entsprechen den aus dem Hohlkörper-Rohling 36 hergestellten Körpers.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 34 stellt dann entsprechend das Wärmeprofil ein, den Startzeitpunkt der Zustellungsbewegung und die Stauchgeschwindigkeit als Zustellgeschwindigkeit des ersten Halters 16 und des zweiten Halters 18 relativ zueinander.
Wenn beispielsweise über Voruntersuchungen ermittelt wurde, in welchem Verhältnis beim Stauchvorgang das Wachstum an der Stelle 28 nach außen und nach innen steht, so kann über Ermittlung und auch Kontrolle (siehe unten) der Außengeometrie 52 der Prozess gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Über Ermittlung der Außengeometrie 52 kann auf die lokale Wandstärke geschlossen werden. Die Beeinflussung des Verfahrens erfolgt dabei insbesondere durch Änderung der Stauchgeschwindigkeit (je nach Anwendungsfall durch Beschleunigung des Stauchvorgangs oder Verlangsamung des Stauchvorgangs), oder alternativ oder zusätzlich durch gezielte lokale Kühlung über die Kühleinrichtung 58. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Nacherwärmung durchgeführt wird.
Wenn die Stauchgeschwindigkeit verändert wird, dann lässt sich die Wärme verteilung im Hohlkörper-Rohling 36 lokal verändern. Durch gezielte lokale Kühlung lässt sich ein Stauchvorgang und insbesondere die Wanddicken änderung lokal stoppen. Es lässt sich dadurch gewissermaßen eine lokal erreichte Wandstärke einfrieren. Dazu wird dieser lokale Bereich entsprechend mit Kühlstößen beaufschlagt.
In Figur 4 ist dieses für den Bereich 66 angedeutet. Die dort erreichte Wand stärke, welche (indirekt) über die Außengeometrie 52 über einen entsprechen den Taster 56 an dem Bereich 66 ermittelt wurde, wird über ein oder mehrere Kühlstöße durch die Kühleinrichtung 58 festgelegt.
Grundsätzlich können die Verfahren bei einem entsprechenden Hohlkörper- Rohling 36 mehrfach durchgeführt werden, um einen entsprechenden Wand dickenverlauf zu erhalten. Deswegen wurde oben der Hohlkörper-Rohling 36 in seinem Ausgangszustand als Start- Hohlkörper- Rohling 36' bezeichnet.
Ein Hohlkörper-Rohling 36, welcher bereits den Prozess mit Erwärmung und Stauchung durchlaufen hat, hat im Vergleich zu dem Start- Hohlkörper- Rohling 36' keine einheitliche Wanddicke mehr. Er kann als Hohlkörper-Rohling 36 für einen weiteren Vorgang verwendet werden, wobei dann insbesondere eine Erwärmung an einer anderen lokalen Stelle 28 durchgeführt wird, um dort ent sprechend die Wanddicke zu beeinflussen. Es können so in der Längsachse 24 an unterschiedlichen Stellen zeitlich ver netzte unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge zur Einstellung der Wanddicke durchgeführt werden. Es lässt sich dann für ein Anwendungsfall eine opti mierte Wandstärkenverteilung des entsprechenden hergestellten Hohlkörpers erreichen, welche insbesondere lastgerecht variabel ausgerichtet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Wandstärkenübergänge in ihrem geometrischen Verlauf kontinuierlich erreichen. Die Wandstärken übergänge sind bei dem Verfahren stetig (differenzierbar) und dabei nicht sprunghaft. Es lassen sich dadurch bei der Anwendung eines entsprechenden Hohlkörpers sonst entstehende schädigende Spannungsspitzen vermeiden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche in Figuren 5 und 6 in einer Teildarstellung gezeigt ist, ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie die Vorrichtung 10. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die Vorrichtung 68 umfasst zusätzlich eine Schabloneneinrichtung 70. Über die Schabloneneinrichtung 70 lässt sich eine Außengeometrie 52 des Hohlkörper- Rohlings 36, welcher bearbeitet werden soll, festlegen. Die Schablonen einrichtung 70 bildet ein Kalibrierprofil, durch welche die Außengeometrie 52 beispielsweise durch geometrische Blockade (durch Formschluss) festlegbar ist.
Bei der Vorrichtung 68 ist es bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Schabloneneinrichtung 70 eine erste Halbschale 72 und eine zweite Halbschale 74 umfasst.
Die Schabloneneinrichtung 70 ist so beweglich ausgebildet, dass ein Erwär mungsschritt ungehindert durchgeführt werden kann.
Der Erwärmungsschritt wird grundsätzlich wie oben beschrieben ausgeführt (vgl. Figur 5). An einer lokalen Stelle 76 wird der Hohlkörper-Rohling 36 auf die Umfor mungstemperatur erwärmt. Die Schabloneneinrichtung 70 ist dabei so positioniert, dass sie diesen Erwärmungsschritt nicht behindert.
Es wird dann die Erwärmungseinrichtung 26 so weit entfernt, dass die Scha bloneneinrichtung 70 positioniert werden kann. Dies ist in Figur 5 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 78 angedeutet.
Es ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn wie oben erwähnt die Erwärmungseinrichtung 26 eine erste Halbschale 30 und eine zweite Halb schale 32 aufweist, um eine entsprechend leichte Entfernung zu ermöglichen.
Anschließend wird die Schabloneneinrichtung 70 an der lokalen Stelle 76 positioniert. Dies ist in Figur 5 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 80 angedeutet.
Es ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die Schabloneneinrichtung 70 die erste Halbschale 72 und die zweite Halbschale 74 umfasst, um diese entsprechende Positionierung zu ermöglichen.
Die Schabloneneinrichtung 70 ist so angepasst und ausgebildet, dass ent sprechend keine Ausdehnung oder nur eine vorgegebene Ausdehnung der Wand des Hohlkörper-Rohlings 36 an der lokalen Stelle 76 erfolgt; die Geo metrie der Schabloneneinrichtung 70 gibt die Außengeometrie 52 an der lokalen Stelle 76 vor.
Gegebenenfalls muss bei der Ausbildung der Schabloneneinrichtung 70 eine Wärmeschrumpfung der Schabloneneinrichtung 70 berücksichtigt werden.
Wenn dann bei positionierter Schabloneneinrichtung 70 (vgl. Figur 6) der Stauchvorgang durchgeführt wird, indem eine Zustellbewegung des ersten Halters 16 und des zweiten Halters 18 relativ zueinander erfolgt, dann wird bei Kontakt mit der Schabloneneinrichtung 70 die lokale Materialanhäufung des Wandmaterials des Hohlkörper-Rohlings 36 gestoppt.
Insbesondere erfolgt dieser Stoppvorgang durch geometrisches Blockieren einer weiteren Umformung. Es ist dann vorteilhaft, wenn die Schablonen einrichtung 70 aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitung hergestellt ist. Insbesondere liegt die Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs unterhalb von 1 W/(mK) und insbesondere unterhalb von 0,1 W/(mK).
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass über die Schabloneneinrichtung 70 eine lokale Abkühlung an der lokalen Stelle 76 erfolgt oder dass eine Wärmeabfuhr erfolgt. Diese Kühlung beziehungsweise Wärmeabfuhr erfolgt durch den Kontakt der Schabloneneinrichtung 70 mit dem Material des Hohl körper-Rohlings 36 an der lokalen Stelle 26. Entsprechend muss dann die Schabloneneinrichtung 70 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein.
Wenn der Hohlkörper-Rohling 36 abgekühlt wird, beziehungsweise weiter ab gekühlt wird, löst er sich von der Schabloneneinrichtung 70 durch thermische Schrumpfung.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches in Figur 7 schematisch in einer Teildarstellung gezeigt ist, und welches grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie die Vorrichtung 10, wobei dann für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, ist eine Schablo nenvorrichtung 84 vorgesehen, welche in einen zweiten Halter 86 integriert ist.
Der zweite Halter 86 als Stauchstempel bildet dazu selber eine Schablone (ein Kalibrierprofil), welcher einen Wandungsverlauf geometrisch vorgibt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Halter 86 eine Aufnahme 88. Diese Aufnahme 88 ist ringförmig ausgebildet. (Die Aufnahmen des Halters 16 bzw. 18 bei der Vorrichtung 10 sind beispielsweise hohlzylindrisch.) Die Aufnahme 88 bildet einen Eintauchbereich 90, welcher einen Wandungsbereich 92 des Hohlkörper-Rohlings 36 nach innen (zu dem Hohlraum 40, und nach außen in einer Querrichtung zu der Längsachse 24) festlegt. (Die Aufnahmen 46 bewirken nur eine Festlegung der Querrichtung zur Längsachse 24 nach außen, von dem Hohlraum 40 weg.)
Der entsprechende Wandungsbereich 92, welcher in den Eintauchbereich 90 eingetaucht ist, ist dadurch in seiner Außengeometrie 52 und in seiner Innen geometrie 94 (zu dem Hohlraum 40 hin) festgelegt.
Der Wandungsbereich 92, welcher in dem Eintauchbereich 90 positioniert ist, ist in seiner radialen Ausdehnung quer zur Längsachse 24 begrenzt. Der Wandungsbereich 92, welcher in den Eintauchbereich 90 eingetaucht ist, weist eine genau definierte Wandstärke auf, welche sich bei der Durchführung des Verfahrens nicht wesentlich verändert.
Der zweite Halter 86 ist insbesondere aus einem schlecht wärmeleitenden Material hergestellt (insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit unterhalb von 1 W/(mK)).
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 82 auch die Schabloneneinrichtung 70 auf, wie oben anhand der Vorrichtung 68 be schrieben.
Grundsätzlich lassen sich Elemente der Vorrichtung 10, der Vorrichtung 68 und der Vorrichtung 82 miteinander kombinieren, beziehungsweise sind in einer Vorrichtung realisiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst über die Erwärmungs einrichtung 26 eine lokale Erwärmung und anschließend eine Stauchung. Es kann dabei die Außengeometrie 52 überwacht werden über die Ermittlungs einrichtung 50 beziehungsweise eingestellt werden über die Schablonen einrichtung 70 beziehungsweise 84.
Ein Hohlkörper-Rohling 36 kann an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich bearbeitet werden.
In Figur 8 ist eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines entsprechend hergestellten Hohlkörpers 96 gezeigt. Dieser Hohlkörper 96 ist beispielsweise ein Aluminiumprofil oder Magnesiumprofil. Er weist eine Wandung 98 auf, deren Wandstärke D längs der Längsachse 24 allmählich abnimmt. Die Abnahme ist dabei gleichmäßig stetig.
Ein solcher Hohlkörper 96 (Rohrprofil) wird beispielsweise eingesetzt, wenn eine frei auskragende Tragstruktur notwendig ist. Diese Tragstruktur hat dann einen Bereich 100 mit größerer Wandstärke.
Ein Anwendungsbeispiel ist eine vordere Längsträgerstruktur eines Fahrzeugs. Diese ist in einen Bereich 102 dünnwandiger ausgeführt als im Bereich 100. In dem Bereich 102 kann im Falle eines Aufprallereignisses im Fahrzeug Energie absorbiert werden, indem sich Faltenbeulen bilden. Durch die Zunahme der Wandstärke (entgegen einer Fahrtrichtung) in dem Bereich 100 wird bei relativ geringem Gewicht eine gegen Abknicken und Versagen stabilere Tragstruktur erreicht.
Andere Anwendungsbeispiele sind Rückenlehnenstruktur in Fahrzeugsitzen, welche in einem unteren Anwendungsbereich (entsprechen dem Bereich 100) hohe Festigkeit und Steifigkeit benötigen, jedoch nach oben hin (zu dem Be reich 102 hin) immer dünnwändiger ausgeführt werden können.
Auch Anwendungen im Bereich der Querlenkerstruktur von Fahrzeugen sind möglich, wobei das eingesetzte Material dann vorzugsweise Stahl oder Aluminium ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hergestellten Hohlkörpers ist in Figur 9 im Querschnitt gezeigt und mit 104 bezeichnet. Dieser Hohlkörper weist einen ersten Bereich 106 mit einheitlicher Wanddicke D und ein sich daran an schließenden zweiten Bereich mit einheitlicher Wanddicke D auf, wobei die Wanddicke im zweiten Bereich 108 kleiner ist als im ersten Bereich 106. Es gibt einen Übergangsbereich 110, in dem die Wanddicke von der großen Wanddicke im ersten Bereich 106 in die kleinere Wanddicke im zweiten Bereich 108 übergeht, ohne dass dieser Übergang sprunghaft ist.
Es ist auch möglich, dass der Hohlkörper 104 mehrere solcher Übergangs bereiche 110 aufweist.
Eine beispielhafte Anwendung eines solchen Hohlkörpers 104 mit einem stufenartigen (aber dabei kontinuierlichen) Übergangsbereich 110 sind Bau teile, die beidseitig gelagert sind, und eine asymmetrische Belastung erfahren.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist die Tragstruktur eines Instrumenten tafelträgers in einem Fahrzeug. Im Bereich einer Längssäulenbefestigung (also auf der Fahrerseite) sind solche Tragstrukturen stärker belastet als auf einer Beifahrerseite.
Erfindungsgemäß lassen sich dann Hohlkörper 104 hersteilen, welche last- angepasste Wandstärkeverteilungen aufweisen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hohlkörpers ist in Figur 10 gezeigt und mit 112 bezeichnet. Dieser Hohlkörper 112 weist längs der Längsachse 24 ausgehend von einem ersten Ende 114 zunächst eine sich vergrößernde Wanddicke D auf, welche dann wieder zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 116 abnimmt.
In einem mittleren Bereich 118 ist dieser Hohlkörper 112 verdickt. Ein solcher Hohlkörper ist vorteilhaft für biegebelastete oder brückenartige Bauteile. Beispielhafte Anwendungen sind Dachquerstreben, Türaufprallträger oder vordere und hintere Stoßfängerquerträger (Bumper). Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Hohlkörper (Profilbauteile) mit gewünschter anwen- dungsangepasster Wandstärkenverteilung hersteilen, wobei die Wandstärke variierend längs der Längsachse 24 ist. Bei der Verfahrensdurchführung be stimmt die Position der Erwärmungseinrichtung 26, an welcher lokalen Stelle 28 eine Verdickung stattfinden soll. Diese Verdickung wird durch den an schließenden Stauchvorgang erreicht.
An einem durch das erfindungsgemäße Verfahren, beziehungsweise durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellten Hohlkörper kann beispielsweise anschließend ein Umformverfahren durchgeführt werden, wie es in der DE 199 44 679 Al oder der DE 10 2004 013 872 Al beschrieben ist.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung Zustelleinrichtung Maschinengestell erster Halter zweiter Halter Richtung Werkstück Längsachse
Erwärmungseinrichtung
Stelle erste Halbschale zweite Halbschale
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung,36' Hohlkörper-Rohling
Wandung
Hohlraum erstes Ende zweites Ende
Aufnahme
Wandung
Ermittlungseinrichtung
Außengeometrie
Kontakteinrichtung
Taster
Kühleinrichtung
Kühlstoß
Kühldüse
Richtung
Bereich
Vorrichtung
Schabloneneinrichtung erste Halbschale zweite Halbschale lokale Stelle Pfeil Pfeil
Vorrichtung
Schablonenvorrichtung zweiter Halter
Aufnahme
Eintauch bereich
Wandung
Innengeometrie
Hohlkörper
Wandung
Bereich
Bereich
Hohlkörper erster Bereich zweiter Bereich
Übergangsbereich
Hohlkörper erstes Ende zweites Ende mittlerer Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers (96; 104; 112) mit räumlich variierender Wanddicke längs einer Längsachse (24) des Hohlkörpers (96; 104; 112), bei dem ein Hohlkörper-Rohling (36), welcher sich in der Längsachse zwischen einem ersten Ende (42) und einem zweiten Ende (44) erstreckt, in einem Bereich des ersten Endes (42) an einem ersten Halter (16) gehalten wird und in einem Bereich des zweiten Endes (44) an einem zweiten Halter (18) gehalten wird, der Hohlkörper-Rohling (36) lokal an einem oder mehreren Bereichen (28) zwischen dem ersten Ende (42) und dem zweiten Ende (44) auf eine Umformungstemperatur er wärmt wird, und nach Erreichen der Umformungstemperatur der Hohl körper-Rohling (36) durch relative Zubewegung des ersten Halters (16) und des zweiten Halters (18) gestaucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der Folgenden: ein verwendeter Start-Hohlkörper-Rohling weist eine einheitliche
Wanddicke auf; der Hohlkörper-Rohling (36) ist aus einem metallischen Material;
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper-Rohling (36) lokal vollumfänglich erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Hohlkörper-Rohling (36) so lokal auf die Umformungs temperatur erwärmt wird, dass bei Durchführung des Stauchungs vorgangs Wandmaterial des Hohlkörper-Rohlings (36) an einer er wärmten Stelle (28) fließt, und insbesondere dass eine Erwärmung auf mindestens näherungsweise eine Lösungsglühtemperatur des Wand materials erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung und/oder Regelung und/oder Einstellung min destens eines der folgenden Parameter: eines Wärmeprofils der lokalen Erwärmung; eines Startzeitpunkts des Stauchvorgangs nach Erwärmung; einer Stauchgeschwindigkeit.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Außengeometrie (52) des Hohlkörper-Rohlings (36) bei dem Stauchvorgang ermittelt wird und in Abhängigkeit von Ermittlungsergebnissen eine angepasste Prozessbeeinflussung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozess beeinflussung mindestens eines der Folgenden umfasst: eine Änderung einer Stauchgeschwindigkeit; einer Durchführung einer lokalen Kühlung des Hohlkörper-Rohlings (36); einer Durchführung einer lokalen weiteren Erwärmung.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung der Außengeometrie (52) über mindestens eines der Folgen den erfolgt: durch optische und insbesondere kontaktlose Ermittlung; mittels einer Kontakteinrichtung (54), welche insbesondere eine oder mehrere Taster (56) umfasst; ein Taster (56) ist ein keramisches Element; mittels einer Kontakteinrichtung (54), welche Temperatur messungen und/oder elektrische Messungen durchführt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine Schabloneneinrichtung (70) verwendet wird, mittels welcher eine Außengeometrie (52) für den Hohlkörper- Rohling (36) vorgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden: die mindestens eine Schabloneneinrichtung (70) blockiert geo metrisch eine Ausdehnung von Material des Hohlkörpers-Rohlings (36) an der Position der Schabloneneinrichtung (70), wobei ins besondere die Schabloneneinrichtung (70) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner als 1 W/(mK) ist; die mindestens eine Schabloneneinrichtung (70) ist wärmeleitend und über die mindestens eine Schabloneneinrichtung (70) wird lokal Wärme von dem Hohlkörper-Rohling (36) abgeführt und/oder über die mindestens eine Schabloneneinrichtung (70) wird der Hohlkörper-Rohling (36) lokal gekühlt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halter (16) und/oder der zweite Halter (18) als Schablonen einrichtung (84) ausgebildet ist und einen Eintauchbereich (90) für ein Wandungselement (92) des Hohlkörper-Rohlings (36) aufweisen.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass nach Beendigung eines Stauchvorgangs mindestens eine weitere lokale Erwärmung an einer räumlich verschiedenen Stelle durch geführt wird und ein anschließender Stauchungsvorgang durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Halter (16) und der zweite Halter (18) als Stauchstempel ausgebildet sind.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Hohlkörper (96; 104; 112) mit mindestens einem der folgenden Bereiche hergestellt wird: einem Bereich (100) mit einer in der Längsachse (24) gleichmäßig zunehmender oder abnehmender Wanddicke; einem Bereich (110) mit einer Stufenausbildung der Wanddicke; einem Bereich (118) mit einer größeren Wanddicke im Vergleich zu benachbarten Bereichen, zwischen welchen der Bereich (118) mit vergrößerter Wanddicke liegt.
15. Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers (96; 104; 112) mit räum lich variierender Wanddicke längs einer Längsachse (24) des Hohlkörpers (96; 104; 112), umfassend einen ersten Halter (16) zum Halten eines Hohlkörper-Rohlings (36) im Bereich eines ersten Ende (42) des Hohlkörper-Rohlings (36), und einen zweiten Halter (18) zum Halten des Hohlkörper- Rohlings (36) im Bereich eines zweiten Endes (44) des Hohlkörper- Rohlings (36); eine Zustelleinrichtung (12), mittels welcher der erste Halter (16) und der zweite Halter (18) relativ zueinander zubewegbar sind, um den Hohlkörper-Rohling (36) zu stauchen; und eine Erwärmungseinrichtung (26), mittels welcher der Hohlkörper- Rohling (36), welcher an dem ersten Halter (16) und dem zweiten Halter (18) sitzt, lokal erwärmbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Kühleinrich tung (58), über welche der Hohlkörper-Rohling (36) lokal kühlbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, gekennzeichnet durch eine Ermittlungseinrichtung (50), über welche eine Außengeometrie (52) des Hohlkörper-Rohlings (36) ermittelbar ist, insbesondere mit mindestens einem der Folgenden: es ist eine optische Ermittlungseinrichtung vorgesehen, welche die Außengeometrie (52) berührungslos ermittelt; es ist eine Kontakteinrichtung (54) vorgesehen, welche mindestens einen Taster (56) umfasst und insbesondere mindestens einen keramischen Taster (56) umfasst.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (34), welche min destens eines der folgenden steuert und/oder regelt: ein Wärmeprofil für die Erwärmung des Hohlkörper-Rohlings (36) durch die Erwärmungseinrichtung (26); eine Startzeit für die relative Zubewegung des ersten Halters und des zweiten Halters (18); eine Stauchgeschwindigkeit; einen Kühlvorgang an dem Hohlkörper-Rohling (36).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (34) Signale einer Ermittlungseinrichtung (50) für eine Außengeometrie (52) des Hohl körper-Rohlings (36) empfängt und auswertet und auf Grundlage dieser Signale eine Steuerung und/oder Regelung durchführt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch eine Schabloneneinrichtung (70; 84) zur Festlegung einer Außen geometrie (52) des Hohlkörper-Rohlings (36).
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