DE19730481C1 - Verfahren zur Herstellung eines hohlprofilförmigen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlprofilförmigen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 195 06 160 A1 be­ kannt. Hierbei werden hohlprofilförmige Bauteile einer Kraft­ fahrzeugkarosserie aus Aluminium, insbesondere Knotenelemente in der Rahmenkonstruktion mittels Innenhochdruckumformen herge­ stellt. Die Herstellung von anderen Leichtmetallbauteilen, bei denen wesentlich höhere Umformgrade als die zur Erzeugung der Endkontur von Knotenelementen erforderlichen Umformgrade auf­ treten, ist mit üblichen Innenhochdruckumformverfahren jedoch nicht möglich, da aufgrund der im Vergleich zu beispielsweise Stahlwerkstoffen erheblich geringeren Bruchdehnung von Leicht­ metallen die Berstgrenze der Hohlprofile sehr schnell erreicht ist, so daß ein Versagen des Werkstoffes eintritt, bevor das Hohlprofil an der Werkzeugkontur zur Erreichung der gewünschten Endform zur Anlage kommt. Dadurch werden mit hoher Wahrschein­ lichkeit Ausschußteile produziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß in einfacher Wei­ se hohlprofilförmige Bauteile auf Leichtmetallbasis oder auf Basis anderer Werkstoffe mit geringer Bruchdehnung auch mit ho­ hen Umformgraden prozeßsicher hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.

Durch das in einfacher Weise erfolgende Aufschieben einer als Massenware erhältlichen Hülse aus einem bezüglich Leichtmetall duktileren Werkstoff auf das Leichtmetallhohlprofil kann der von der Hülse abgedeckte Bereich des Hohlprofiles über dessen Berstgrenze hinaus - also gerade so weit, daß das Hohlprofil birst - aufgeweitet werden, wonach die Hülse nach dem Bersten des Hohlprofiles zur weiteren Aufweitung an dessen Stelle in diesem Bereich tritt und dort nach abgeschlossener Aufweitung den Formverlauf der gewünschten Kontur des Bauteiles bildet. Die Hülse läßt sich dabei aufgrund ihres duktileren Werkstoffes vom Innenhochdruck um ein Vielfaches mehr dehnen als das Hohl­ profil ohne daß ein Versagen durch Rißbildung auftritt. Somit kann ein Bauteil auf Leichtmetallbasis prozeßsicher hergestellt werden, das aufgrund seiner Ausformung sehr hohe Umformgrade erfordert. Weder das Hohlprofil noch die Hülse müssen besonde­ ren Qualitätsanforderungen genügen, so daß die Herstellung ko­ stengünstig ist. Außerdem besteht bei der Herstellung kein we­ sentlicher apparativer Mehraufwand. Undichtigkeiten an den En­ den der Hülse können beim erfindungsgemäßen Verfahren im übri­ gen nicht auftreten, da diese infolge der außerhalb des Berst­ bereiches bestehenden Anlage an der Werkzeuggravur durch den Aufweitdruck am Hohlprofil in einem Preßsitz gehalten wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 abschnittsweise in einer perspektivischen Darstellung einen vorderen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestell­ ten Dachrahmen eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung eine auf ein längliches Hohlprofil aufgeschobene Hülse,

Fig. 3 in einem Querschnitt ein erfindungsgemäß herzustellendes Bauteil mit einem Hohlprofil und einer auf dieses aufgeschobe­ nen Hülse vor dem Aufweitvorgang innerhalb eines Innenhoch­ druck-Umformwerkzeuges,

Fig. 4 in einem Querschnitt das Bauteil von Fig. 3 in gemeinsam aufgeweitetem Zustand von Hohlprofil und Hülse in Endform des Hohlprofils,

Fig. 5 in einem Querschnitt das fertigumgeformte Bauteil von Fig. 3 mit geborstenem Hohlprofil.

In Fig. 1 ist ein hohlprofilförmiges Bauteil 1 in Form eines vorderen Dachrahmens eines Kraftfahrzeuges dargestellt, welcher etwa mittig eine Konsole 2 aufweist, an der ein Innenspiegel 3 angebracht ist. Das Bauteil 1 besteht, wie dessen Ausgangsform in Fig. 2 zeigt, aus einem Hohlprofil 4 aus einem Leichtmetall, vorzugsweise aus einem Aluminium-Strangpreßprofil, oder aus ei­ nem anderen Material mit geringer Bruchdehnung wie beispiels­ weise hochfeste Stähle, insbesondere ZStE-Stähle und einer Hül­ se 5 aus einem Stahlwerkstoff, vorzugsweise St 14 oder Edel­ stahl, welche die Form der späteren Konsole 2 bildet und auf das Hohlprofil 4 in die vorbestimmte Position der Konsole 2 mit Spiel aufgeschoben ist. In dieser Lage umschließt die Hülse 5 formgetreu das Hohlprofil 4. Nach dem Aufschieben der Hülse 5 auf das Hohlprofil 4 wird das so entstandene Verbundprofil in ein geteiltes Innenhochdruckwerkzeug 6 eingelegt, das ein Ober­ werkzeug 7 und ein Unterwerkzeug 8 beinhaltet (Fig. 3). Die Gravur 9 des Umformwerkzeuges 6 ist entsprechend der Kontur und den Abmessungen des Verbundprofiles im wesentlichen rechteckig ausgebildet, weist jedoch (hier: im Oberwerkzeug 7 des Umform­ werkzeuges 6) im Bereich der Lage der Hülse 5 zwischen deren Enden 10, 11 eine bauchige Aussparung 12 auf, die formnegativ zur Kontur der späteren Konsole 2 ausgebildet ist.

Nach Schließen des Umformwerkzeuges 6 wird in das Aluminium-Hohlprofil 4 ein Druckfluid eingeleitet, welches unter Hoch­ druck gesetzt wird. Hohlprofil 4 und Hülse 5 werden dabei durch die Einwirkung des Innenhochdruckes gemeinsam aufgeweitet, wo­ bei sich der Aufweitungsbereich allein auf den Bereich 13 zwi­ schen den beiden Enden 10, 11 der Hülse 5 beschränkt. Diese lie­ gen in jeweils einer Ringnut, die in die Gravur 9 eingearbeitet ist und zur Aussparung 12 hin axial geöffnet ist. In dieser La­ ge schließt die Innenseite der Hülsenenden 10, 11 mit der rest­ lichen Kontur der Gravur 9 außerhalb des Bereiches 13 bündig ab. Durch die Anlage der Enden 10, 11 an der Gravur 9 des Um­ formwerkzeuges 6 einerseits und durch den Aufweitdruck anderer­ seits wird die Hülse 5 dichtend eingeklemmt und erhält die Hül­ se 5 infolge des Aufweitdruckes, der das Hohlprofil 4 an die Hülse 5 preßt, einen sehr strammen Preßsitz. Der Bereich 13 baucht sich nun gemäß Fig. 4 zur Kontur der Aussparung 12 hin aus. Es ist vorab immer darauf zu achten, daß die Hülse 5 in ihren Abmessungen so dimensioniert wird, daß sie den Aufwei­ tungsbereich 13, in dem hohe Umformgrade auftreten, vollständig abdeckt.

Da bis zum theoretischen - wegen der Umschließung der Hülse 5 - mittelbaren Anlegen des Hohlprofiles 4 an die Kontur der Aus­ sparung 12 sehr hohe Umformgrade erforderlich sind, ist die Bruchdehnungsgrenze, bzw. die Berstgrenze des Hohlprofiles 4 aufgrund der geringen Duktilität von Aluminium in der in Fig. 4 gezeigten ausgebauchten Form des Hohlprofiles 4 schon weit vor der Anlage an der Aussparungskontur erreicht und wird überstie­ gen. Hierauf birst das Hohlprofil 4 in dem Aufweitungsbereich 13, wonach die Hülse 5 über den dabei entstandenen Riß 14 di­ rekt mit dem Druckfluid beaufschlagt wird (Fig. 5). Für das Hohlprofil 4 entsteht im Aufweitungsbereich 13 Druckausgleich, so daß keine weitere Aufweitung des Hohlprofiles 4 dort statt­ findet. Die mit Innenhochdruck allein beaufschlagte Hülse 5 weitet sich aufgrund der höheren Dehnfähigkeit, bzw. Duktilität seines Stahlwerkstoffes auf ohne zu reißen und legt sich an die Kontur der Aussparung 12 der Gravur 9 konturgerecht an. In die­ sem Moment ist die Endform des Bauteils 1 erreicht. Das Druck­ fluid wird nun entspannt und nach Öffnen des Umformwerkzeuges 6 das Bauteil 1 entnommen.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, daß auch die außerhalb des mit hohen Umformgraden umzuformenden Bereiches 13 liegenden Profilabschnitte 15, 16 mittels Innenhochdruck in eine Endform gebracht werden.

Um hierbei eine qualitativ hochwertige Ausbildung dieser Pro­ filabschnitte 15, 16 zu erreichen, werden nach Einlegen des Hohlprofiles 4 in eine entsprechend angepaßte Gravur 9 des Um­ formwerkzeuges 6 zunächst durch eine erste Aufweitung des Hohl­ profils 4 mittels Innenhochdruck dessen Profilabschnitte 15 und 16 aufgeweitet und kalibriert. Erst danach wird die Hülse 5 über die fertigumgeformten Profilabschnitte 15, 16 hinweg auf die Stelle des mit hohen Umformgraden umzuformenden Bereiches 13 des Hohlprofiles 4 geschoben, wonach dort durch eine weitere Aufweitung mittels Innenhochdruck das Hohlprofil 4 innerhalb dieses Bereiches 13 über die Berstgrenze hinaus aufgeweitet wird. Dabei ist denkbar, für die erste Aufweitung ein bezüglich der weiteren Aufweitung gesondertes Innenhochdruck-Umformwerk­ zeug 6 zu verwenden. In diesem Falle werden für eine Umformung mit hohen Umformgraden ungünstige Spannungsverhältnisse im Be­ reich 13, die sich ansonsten aufgrund einer vor der weiteren Aufweitung erfolgenden Kaltverfestigung in der Hülse 5 und dem abgedeckten Bereich 13 ergeben, vermieden. Außerdem ergibt sich dadurch werkzeugtechnisch vorteilhaft ein sehr einfacher Gra­ vurverlauf, sowohl bei dem Umformwerkzeug für die erste als auch bei dem Umformwerkzeug für die weitere Aufweitung. Bei Verwendung des gleichen Werkzeuges für beide Aufweitungen - was natürlich auch möglich wäre - müßte die zur Umformung mit hohen Umformgraden ausgebildete Aussparung 12 der Gravur 9 für die erste Aufweitung von einem Einlegestück oder einem Schieber ab­ gedeckt sein, wodurch zwar im Vergleich zur vorigen Ausführung ein Umformwerkzeug entfällt, sich jedoch ein durch den Schieber oder das Einlegestück begründeter apparativer Zusatzaufwand er­ gibt. Die Abdeckung der Aussparung 12 ist dabei deshalb notwen­ dig, weil die Profilabschnitte 15, 16 nur dann in eine qualita­ tiv hochwertige Endform umgeformt werden können, wenn sich noch kein Versagen des Hohlprofiles 4 im Bereich 13 eingestellt hat.

Auch könnte sonst die Hülse 5 nicht nachträglich auf das Hohl­ profil 4 aufgeschoben werden, da das Hohlprofil 4 gerade im Be­ reich 13, über den hinweg die Hülse 5 positioniert werden soll, bei Innenhochdruckbeaufschlagung sich in die Aussparung 12 aus­ baucht.

Alternativ ist es möglich, die Hülse 5 vor dem ersten Aufweit­ vorgang auf das Hohlprofil 4 in den von der Hülse 5 abzudecken­ den Bereich 13 zu schieben. Die Profilabschnitte 15, 16 werden in einem einzigen Umformwerkzeug 6 mit entsprechend ausgebilde­ ter Gravur 9 in die Fertigform des Bauteils 1 durch Aufweiten mittels Innenhochdruck gebracht, wobei die lose aufgeschobene Hülse 5 einen Preßsitz auf dem Hohlprofil 4 erhält. Aufgrund der schon vor dem Aufweiten aufgeschobenen Hülse 5 kann auf ei­ nen im Bereich 13 angeordneten Schieber verzichtet werden, wo­ durch das Umformwerkzeug 6 vereinfacht wird, da beim Reißen des Hohlprofiles 4 beim Aufweiten über die Berstgrenze hinaus es aufgrund der abdichtenden Hülse 5 zu keinem Druckabfall kommt und somit eine Kalibrierung der Profilabschnitte 15, 16 in die Endform des Bauteiles 1 ermöglicht wird. In dieser Verfahrens­ ausführung kann auf ein zwischenzeitliches Öffnen des Umform­ werkzeuges 6 und Entnehmen des Hohlprofiles 4 für das nach dem ersten Aufweiten zu erfolgende Aufschieben der Hülse 5 verzich­ tet werden, wodurch Prozeßzeit gewonnen wird. Die Hülse 5 soll­ te im übrigen so gestaltet sein, daß deren beide Enden 10, 11 den engsten Querschnitt über den gesamten Verlauf der Hülsen­ form aufweisen, so daß beim weiteren Aufweiten die Dichtigkeit der Hülse 5 durch den Preßsitz gegeben ist. Zwischen den beiden Enden 10, 11 kann die Hülse 5 im Rahmen des auszubauchenden Auf­ weitvolumens und der Geometrie der Endform des Bauteils 1 im Bereich 13 jede denkbare Ausgangsform besitzen.

Es ist zusätzlich vorteilhaft, wenn die Hülse 5 über ihre ge­ samte Länge hinweg im Schiebesitz bzw. Preßsitz am Hohlprofil 4 anliegt, da dadurch beim weiteren Aufweiten Hülse 5 und Hohl­ profil 4 gemeinsam aufgeweitet werden und die Hülse 5 aus ihrer Umformbewegung infolge des Aufweitens des Hohlprofiles 4 heraus beim Bersten des Hohlprofiles 4 quasi in fließendem Übergang prozeßsicher und nicht schlagartig direkt mit dem Innenhoch­ druck beaufschlagt wird und dabei selbst reißt. Die gesamte Um­ formung der Hülse erfolgt somit - auch bei der Rißbildung des Hohlprofiles 4 - in einer einzigen kontinuierlichen Umformbewe­ gung.

Des weiteren ist es zweckmäßig, daß das Hohlprofil 4 in dem über die Berstgrenze hinausgehenden Aufweitvorgang mittels In­ nenhochdruck in dem mit hohen Umformgraden umzuformenden Be­ reich 13 des Hohlprofiles 4 lokal konzentriert und gezielt mit­ tels Innenhochdruck aufgerissen wird, so daß an vorbestimmter Stelle, an der die mechanische Belastung des fertigumgeformten Bauteiles 1 nicht sehr groß ist und an der somit die Kerbwir­ kung des am Hohlprofil 4 entstandenen Risses 14 nicht oder nur in für die Stabilität des Bauteiles 1 unschädlichem begrenzten Maße stattfindet, die Rißbildung festgelegt wird. Das gezielte Aufreißen wird durch eine Einprägung in das Hohlprofil 4 im Be­ reich 13 an der gewünschten Stelle erreicht, wobei diese Stelle eine zur Umgebung vergleichsweise geringere Wandstärke auf­ weist. Diese Sollbruchstelle kann punktuell oder linienförmig sein.

Schließlich ist bei der Einrichtung einer Sollbruchstelle sehr vorteilhaft, diese in Form einer in sich geschlossenen Kurve auszubilden. Dadurch wird aus dem Hohlprofil 4 in dem über die Berstgrenze hinausgehenden Aufweitvorgang mittels Innenhoch­ druck quasi ein Butzen herausgerissen, wobei aufgrund des Feh­ lens einer Rißrichtung infolge der in sich geschlossenen Riß­ kurve eine bei einer mechanischen Belastung des Bauteils 1 et­ waig auftretende Kerbwirkung von vornherein unterbunden wird.

Das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil 1 kann im übrigen nicht nur als Dachrahmen ausgebildet werden, sondern kann auch einen Fahrwerksträger oder Achsen darstellen. Selbstverständ­ lich sind auch andere Verwendungen im Kraftfahrzeugbau und in anderen technischen nichtfahrzeugbezogenen Bereichen denkbar.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines hohlprofilförmigen Bauteils, wobei ein Hohlprofil aus Leichtmetall oder aus anderen Werk­ stoffen mit geringer Bruchdehnung mittels Innenhochdruckumfor­ men aufgeweitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Hohlprofil (4) eine Hülse (5) aus einem Material mit größerer Duktilität als Leichtmetall, insbesondere aus ei­ nem Stahlwerkstoff, geschoben wird und auf dem Hohlprofil (4) derart angeordnet wird, daß ein beim späteren Aufweiten mit ho­ hen, die Dehnfähigkeit des Leichtmetalls übersteigenden Umform­ graden umzuformender Bereich (13) des Hohlprofils (4) abgedeckt wird, und daß in einer Aufweitung mittels Innenhochdruck das Hohlprofil (4) innerhalb dieses Bereiches (13) bis über die Berstgrenze hinaus aufgeweitet wird, wonach die Hülse (5) über der geborstenen Stelle des fertigumgeformten Hohlprofils (4) di­ rekt mit Innenhochdruck beaufschlagt allein aufgeweitet wird, bis die Endform des Bauteils (1) in dem von der an beiden Enden (10, 11) im Preßsitz auf dem Hohlprofil (4) gehaltenen Hülse (5) abgedeckten Bereich (13) erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine erste Aufweitung des Hohlprofils (4) mittels In­ nenhochdruck dessen außerhalb des mit hohen Umformgraden umzu­ formenden Bereiches (13) liegende Profilabschnitte (15, 16) in die dortige Endform des Bauteils (1) gebracht werden und daß erst danach in einer weiteren Aufweitung mittels Innenhochdruck das Hohlprofil (4) innerhalb dieses Bereiches (13) über die Berstgrenze hinaus aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschieben der Hülse (5) die außerhalb des mit ho­ hen Umformgraden umzuformenden Bereiches (13) liegenden Pro­ filabschnitte (15, 16) des Hohlprofiles (4) durch Aufweiten mit­ tels Innenhochdruck in die dortige Endform des Bauteils (1) ge­ bracht werden

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des mit hohen Umformgraden umzuformenden Be­ reiches (13) liegenden Profilabschnitte (15, 16) des Hohlprofiles (4) nach dem Aufschieben der Hülse (5) durch den ersten Auf­ weitvorgang mittels Innenhochdruck in die dortige Endform des Bauteils (1) gebracht werden, und daß beim ersten Aufweitvor­ gang zumindest an beiden Enden (10, 11) der Hülse (5) ein Preß­ sitz am Hohlprofil (4) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (4) und die aufgeschobene Hülse (5) bis zum Erreichen der Berstgrenze des Hohlprofiles (4) in dem mit hohen Umformgraden umzuformenden Bereich (13) gemeinsam aufgeweitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Hohlprofil (4) in dem über die Berstgrenze hinausgehen­ den Aufweitvorgang mittels Innenhochdruck in dem mit hohen Um­ formgraden umzuformenden Bereich (13) eine Sollbruchstelle aus­ gebildet wird, an der das Hohlprofil (4) beim Aufweiten über die Berstgrenze lokal konzentriert aufgerissen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Hohlprofil (4) in dem über die Berstgrenze hinausgehen­ den Aufweitvorgang mittels Innenhochdruck in dem mit hohen Um­ formgraden umzuformenden Bereich (13) eine Sollbruchstelle aus­ gebildet wird, an der das Hohlprofil (4) entlang einer in sich geschlossenen Kurve aufgerissen wird.