Es ist bekannt, Hohlprofil-Werkstücke umzuformen, indem die Werkstücke in eine Preßform mit einer Innenkontur eingelegt werden, die im wesentlichen der zu erzeugenden äußeren Form des Werkstücks entspricht. Mit einem druckerzeugenden System, beispielsweise einem Druckzylinder, wird nachfolgend Öl oder eine Wasser-Öl-Emulsion unter Druck in das Werkstück eingepreßt. Man erreicht dadurch ein Anlegen der Werkstückwandung an die Innenkontur der Preßform. Öl oder Wasser-Öl-Emulsionen lassen sich jedoch nur bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen im Bereich unter 100°C verwenden. Die dabei zu erreichenden Verformungsgrade von beispielsweise Aluminium sind relativ klein.

Aus der DDR-PS 25 188 ist es bereits bekannt, Feststoffteile, beispielsweise Sand oder kleine Kugeln, als Druckmedium zu verwenden. Die erreichbaren Verformungsgrade reichen jedoch für viele konstruktive Anforderungen nicht aus, insbesondere deswegen, weil sich bei der Verwendung der erforderlichen hohen Drücke die Feststoffteilchen ineinander verkeilen und keine weitere Verformung mehr zulassen.

Bekannt ist es auch, zur Druckerzeugung im Druckmedium einen Dorn in das Druckmedium einzupressen.

Dabei kann der Dornbewegung eine Stauchbewegung des Werkstücks überlagert sein und das Einpressen des Dorns in zwei oder mehreren Schritten erfolgen (DE-OS 43 09 932).

Die Patentschrift US-4 437 326 offenbart ein Verfahren der gattungsbildenden Art, bei dem zum Verformen des Werkstücks ein geschmolzenes metallisches Druckmedium in dieses gepreßt wird. Nachteilig ist hierbei unter anderem, daß die Preßform mit dem Werkstück zusammen aufgeheizt wird und zur Entnahme des umgeformten Werstücks erst wieder abgekühlt werden muß. Dies führt zu einem zeitaufwendigen Abkühlvorgang, der das Werkstückgefüge zusätzlich nachteilig beeinflußt, und darüber hinaus hohe Taktzeiten sowie aufgrund der Wärmekapazität des Werkzeugs hohe Energiekosten zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsbildenden Art zu schaffen, das eine starke Verformung, vorzugsweise bis zu einem Verformungsgrad von 100 W und mehr, auch bei komplizierten und von der geraden Form abweichenden Hohlprofil-Werkstücken bei sehr kurzen Taktzeiten und geringer Gefügebelastung des Werkstückmaterials ermöglicht. Das Verfahren soll dabei insbesondere bei wärmeaushärtbaren Legierungen, wie insbesondere wärmeaushärtbarem Aluminium, aber auch bei anderen Metallen, einschließlich Stahl, anwendbar sein.

Daneben will die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitstellen.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 bzw.

Anspruch 14 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Um die mechanischen Einbußen bei warmverformten Hohlprofil-Werstücken, insbesondere bei wärmeaushärtbaren Legierungen, so gering wie möglich zu halten, kommt es im wesentlichen auf ein schnelles Aufheizen, ein schnelles Umformen und auf ein schnelles Abkühlen des Werkstücks an.

Dies wird in erfindungsgemäßer Weise dadurch erreicht, daß das Aufheizen des umzuformenden metallischen Hohlprofil- Werkstücks auf Umformtemperatur unter Verwendung eines erwärmten Druckmittels erfolgt, so daß der anschließende Verformungsschritt schnell und ohne deutliche Gefügeänderung durch Erhöhung des Druckes durchgeführt werden kann.

Nachfolgend wird das Werkstück dann durch Zuführen eines Kühlmediums abgekühlt, welches zu dessen außerordentlich schnellen Abkühlung führt, so daß nachteilige Gefügeänderungen wesentlich verringert und der damit verbundene Abfall des Rm-Wertes, d. h. der Zugfestigkeit des Werstücks, während des Abkühlens im wesentlichen vcllständig ausgeschlossen werden können.

Durch das erstmalige Erkennen und Ausnutzen des Zusammenhangs zwischen den mechanischen Einbußen eines warmverformten Werkstücks, beispielsweise infolge auftretenter Gefügeänderungenen, und der zeitliche-Dauer und Abfolge einzelner Verfahrensschritte sind Festigkeitswerte des umgeformten Werkstücks erreichbar, die weit höher sind als bei den bisher bekannten Warmumformungsverfahren für metallische Hohlprofil- Werkstücke und die im Vergleich zu entsprechenden Kaltumformungsverfahren bis 90k der ursprünglichen Festigkeit vor der Verformung und mehr betragen. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Verfahren auf ein sehr viel breiteres Spektrum an Werkstück-Konstruktionen anwendbar und/oder ermöglicht eine leichtere Bauweise bei einer gleichzeitig zunehmenden Belastbarkeit des Werkstücks, welches zu niedrigeren Konstruktions-und Herstellungs- Kosten sowie beispielsweise im KFZ-Bereich zu Energieeinsparungen führt.

Parallel bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil äußerst geringer Taktzeiten bei der Umformung einzelner Werkstücke infolge der sehr kurzen und von einer Preßform unabhängigen Aufheiz-, Umform-und Abkühlzeiten des Werkstücks.

Zweckmäßigerweise wird zum außerordentlich schnellen Aufheizen des Werkstücks auf die gewünschte Umformungstemperatur das Werkzeug mit dem erwärmten Druckmittel gespült. Um das Aufheizen des Werkstücks auf Umformtemperatur weiter zu beschleunigen ist vorgesehen, das Werstück in einer vorzugsweise etwa auf Umformtemperatur vorerwärmten Halteeinrichtung anzuordnen.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß eine besonders wirtschaftliche Umformgeschwindigkeit bei Erzielung sehr viel höherer Festigkeitswerte im Vergleich zu bekannten Warmumfomungsverfahren bei Umformtemperaturen ab etwa 300°C erreicht wird.

Die Anwendung dieser gewünschten hohen Umformtemperaturen wird durch die Verwendung eines Wärmeträgeröls der heute verfügbaren Art, das erst im Bereich von 250°C oder darüber einen Dampfdruck von l Bar entwickelt, ermöglicht. Von Vorteil ist ferner, daß die Form des Werkstücks keine wesentliche Rolle mehr spielt, weil der Umformdruck an allen Punkten des Werkstücks unabhängig von dessen Form gleich ist.

Insbesondere zur Erhöhung der Sicherheit während des Umformens des aufgeheizten und mit erwärmtem Druckmittel angefüllten Werkstücks sowie um eine geregelte Druckerzeugung mit einfacheren Mitteln vornehmen zu können ist vorgesehen, die benötigte Druckerhöhung durch Druckbeaufschlagung mit kaltem Druckmittel bereitzustellen.

Aufgrund der schnellen Umformung liegt hierbei weiterhin zumindest an den zu verformenden Stellen im Innern des Werkstücks ausreichend erwärmtes Druckmittel an, so daß eine im wesentlichen gleichbleibende Umformtemperatur gewährleistet bleibt.

Zweckmäßigerweise wird zum außerordentlich schnellen Abkühlen des Werkstücks dieses mit dem Kühlmedium erneut gespült, welches eine Art Schockwirkung für das Werkstückgefüge zur Folge hat. Außerdem wird das Material in kürzester Zeit stabilisiert, so daß seine Form nicht mehr verändern kann.

Zur Vereinfachung des Verfahrens hat sich ferner die Verwendung des gleichen Druckmittels als Wärmeträger und als Kühlmedium als vorteilhaft erwiesen.

So kann für die Zuführung des heißen bzw. kalten Druckmittels je ein Behälter vorgesehen sein, der auf einer Temperatur im Bereich von etwa 250°C oder darüber, vorteilhafter Weise im Bereich von 300°C und darüber, bzw.

20°C gehalten ist. Das heiße bzw. kalte Druckmittel wird zweckmäßig mit Hilfe von Pumpen im Kreislauf aber die Behälter und durch das Werkstück geführt.

Am Anfang bzw. auch am Ende eines Taktzyklus kann das Werkstück mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, gespült werden. Dadurch läßt sich zum einen die Bildung eines zündfähigen Gemischs aus noch vorhandenem Sauerstoff und Teilen der Wärmeträgerflüssigkeit vermeiden und zum anderen am Ende eines Zyklus die restliche Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Werkstück entfernen. Um eine Schwächung der Wandstärke des Werkstücks beim Umformen ganz oder teilweise zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß das Werkstück während des Umformens von wengistens einem Ende aus nachgeschoben wird.

In der Praxis hat sich darüber hinaus gezeigt, daß auch bei einer Umformung von Werkstücken aus warmaushärtbaren Aluminiumlegierungen die erreichbaren Festigkeitswerte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich besser als bei den heute bekannten Verfahren sind, welches vorteilhafterweise zu einer weiteren beachtlichen Kostenreduzierung bei der Herstellung anwendungsspezifisch geformter Hohlprofil-Werstücke führt.

Zur Durchführung des Verfahren ist eine Vorrichtung vorgesehen, die in erfindungsgemäßer Weise ein Mehrkreissystem umfaßt, welches sowohl das Druckmittel als auch das Kühlmedium führt, so daß Verluste im wesentlichen vermieden werden.

Zweckmäßigerweise ist ferner vorgesehen, das Mehrkreissystem derart auszubilden, daß es ein Druckmittel führen kann, welches sowohl als Wärmeträger als auch als Kühlmedium einsetzbar ist.

In Weiterbildung der Erfingung ist die Vorrichtung mit zwei Endverschlüssen für das Werkstück ausgebildet, die dichtend an die stirnseitigen Endflächen des Werkstücks anlegbar sind und einen Durchgang für die Zu-bzw. Abführung des Druckmittels in das Werkstück besitzen. Je ein Hydraulikzylinder ist für das Nachschieben der Endverschlüsse und damit des Werkstücks während der Umformung vorgesehen. Eine Hochdruckpumpe zur Erzeugung des Druckmittels mit dem Umformdruck sowie die Hydraulikzylinder für die Endverschlüsse werden mit Vorteil rechnergesteuert (NC-gesteuert) betrieben, wobei der Vorschub der Endverschlüsse abhängig vom Umformungsfortschritt erfolgt.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen sowie unter Bezugnahme auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens bespielhaft beschrieben.

Es zeigen : Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Preßform mit allen zugeordneten Bauteilen und Nebenaggregaten zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 die Preßform mit den Nebenaggregaten gemäß Fig. 1 nach Durchführen einer Verformung, Fig. 3 eine grafische Darstellung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Glühdauer am Beispiel einer AlMgSi 0,5 Knetlegierung mit zugehöriger Tabelle, Fig. 4 eine Temperaturkurve eines Aluminiumrohres mit einer Wandstärke von 2 mm während des Erwärmens durch ein 350°C warmes Druckmittel mit zugehöriger Tabelle, und Fig. 5 eine Temperaturkurve eines Aluminiumrohres mit einer Wandstärke von 2 mm während des Erwärmens durch ein 350°C warmes Druckmittel in einer erfindungsgemäßen 350°C warmen Halteeinrichtung mit zugehöriger Tabelle.

Nachfolgend wird zunächst auf die Fig. 1 und 2 eingegangen, welche eine Preßform 1 zeigen, die in bekannter Weise teilbar (nicht dargestellt) ist, so daß nach Öffnen der Form das Werkstück 2, im vorliegenden Fall ein Aluminiumrohr, eingelegt bzw. entnommen werden kann.

Um die Preßform 1 auf einer gewünschten Temperatur zu halten, ist sie von einer elektrischen Heizung 3 mit anschließender Wärmeisolierung 4 umgeben. Von beiden Seiten her sind gegen die Endflächen des Werkstücks 2 T-förmige Endverschlüsse 5 über Dichtungen 6 angesetzt, wobei zur Führung das vordere Ende der Endverschlüsse 5 in das Werkstück 2 eindringt. Die beiden Endstücke 5 können mit Hilfe von Hydraulikzylindern 28 verschoben werden, die insbesondere das Werkstück 2 während des Umformvorgangs nachschieben, wie noch beschrieben werden soll.

Das Aufheizen und Abkühlen des Werkstücks 2 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Spülen des Werkstücks 2 mit heißem bzw. kaltem Wärmeträgeröl, wozu zwei Behälter 8 bzw. 9 vorgesehen, die aber Ventile und Leitungen bzw. Schläuche sowie Pumpen mit dem Werkstück derart verbunden sind, daß jeweils ein Kreislauf geschaffen werden kann.

Im einzelnen verlaufen die Kreisläufe wie folgt : Kalter Kreislauf : aus dem Behälter 8 über eine Leitung 10, eine Pumpe 11, ein Rückschlagventil 12, eine Leitung 13, ein Rückschlagventil 14, eine Bohrung 15 sowie einen Durchgang 16 im linken Endverschluß 5, das Werkstück 2, einen Durchgang 16 sowie eine Bohrung 15 im rechten Endverschluß 5, ein Ventil 17 und eine Leitung 18 zurück zum Tank 8.

Heißer Kreislauf : vom Behälter 9 über eine Pumpe 19, ein Rückschlagventil 20, die Leitung 13, das Rückschlagventil 14, den linken Endverschluß 5, das Werkstück 2, den rechten Endverschluß 5 und ein Ventil 21 zurück zum Tank 9.

Zur Erzeugung des hohen Umformdrucks im Druckmittel 7 dient ein Hydraulikzylinder 22 mit verhältnismäßig großem Querschnitt, der zur Druckübersetzung auf einen mit Druckmittel 7 gefüllten Zylinder 23 mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt wirkt. Das Druckmittel 7 kann dann aus dem Zylinder 23 aber ein Rückschlagventil 24 und den linken Endverschluß 5 in das Werkstück 2 gepreßt werden, wobei beide Ventile 17 und 21 geschlossen sind. Ein Hydrauliktank 29 versorgt aber eine Pumpe 26 mit Druckregelung 27 den Hydraulikzylinder 22 und die Zylinder 28 der Endverschlüsse 5.

Es soll jetzt ein Takt-oder Arbeitszyklus der Vorrichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft beschrieben werden.

Zu Beginn des Zyklus sind alle Teile in der in Fig. 1 dargestellten Position, d. h. das Werkstück 2 ist in die Preßform eingelegt, und die beiden Endverschlüsse 5 sind an die Stirnseiten des Werkstücks 1 angesetzt. Es wird dann zunächst durch Einschalten der Pumpen und Ventile der heiße Kreislauf (s. oben) eingeschaltet, so daß das Werkstück 2 schnell auf die Umformtemperatur aufgeheizt wird. Nach Schließen der Ventile 17 und 21 wird dann heißes Druckmittel 7 mittels des Hydraulikzylinders 22 und des Zylinders 23 über das Rückschlagventil 24 und den linken Endverschluß 5 in das Werkstück 2 unter einem Druck von beispielsweise 350 B eingepreßt. Dadurch wird, wie in Fig. 2 dargestellt, die Wandung des Werkstücks 2 in die Formkavitäten 25 eingepreßt und an die Wandung der Form 1 angelegt.

Gleichzeitig schieben die beiden Hydraulikzylinder 28 von beiden Seiten her die Endverschlüsse 5 und damit die Enden des Werkstücks 2 in Richtung auf das Innere der Preßform 1, so daß beim Eindringen der Werkstückwandungen in die Kavitäten 25 keine oder eine nur geringfügige Wandstärkenschwächung auftritt. Der Vorschub der Zylinder 28 erfolgt dabei unter NC-Steuerung, und zwar abhängig vom Grad der Verformung, d. h. abhängig vom Vorschub des Zylinders 23.

Nach vollständiger Verformung des Werkstücks 2 wird der kalte Kreislauf (s. oben) in Gang gesetzt, so daß das Werkstück 2 schnell abkühlt und aus der Form 1 entnommen werden kann.

In Abwandlung zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfndungsgemäßen Verfahrens können ferner der Preßform 1 zugeordnete Heizspulen zum induktiven Heizen der Form 1 und/oder des Werkstücks 2 vorgesehen sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, zum Umformen des Werkstücks 2 nach dem Schließen der Ventile 17 und 21 kaltes Druckmittel 7 unter Druck in das aufgeheizte Werkstück 2 zu pressen, wobei das in dem Werkstück noch befindliche warme bzw. heiße Druckmittel 7 an die Innenwandung des Werkstücks 2 gedrängt wird und während des Umformvorgangs eine gleichbleibende Temperatur an den zu verformenden Stellen des Werkstücks sicherstellt.

Darüber hinaus ist es nicht zwingend notwendig, das gleiche Druckmittel als Wärmeträger und als Kühlmedium zu verwenden. So kann eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mit einem Mehrkreissystem zum Führen von zu einander unterschiedlichen Medien vorgesehen sein.

Es kann ein außerordentlich schnelles Abkühlen des Werkstücks beispielsweise auch mit einem Kühlmedium erfolgen, welches beim Durchspülen des heißen Werkstücks 2 einen Phasenübergang von einem flüssigen in einen gasförmigen oder von einem festen in einen flüssigen Zustand erfährt. Die hierbei jeweils vom Kühlmedium aufgenommene Wärme wird dem Werkstück sehr schnell entzogen, sodaß es zu einer stark beschleunigten Abkühlung kommt, die mit nur sehr geringen Gefügeänderungen bzw. Festigkeitsverlusten einhergeht.

Unter Bezugnahme auf die Figuren. 3,4 und 5 soll nachfolgend auf die in praktischen Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Erkenntnisse näher eingegangen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren, mit welchem wesentlich bessere Festigkeitswerte im Vergleich zu den bisher bekannten Warmumformungsverfahren ermöglicht werden, basiert auf der Erkenntnis und der Ausnutzung des Zusammenhangs der mechanischen Festigkeits-Einbußen, insbesondere der Härte, der Zugfestigkeit R und der Dehngrenze Rp, von der Aufheiz-, der Glüh-bzw. Umformzeit sowie der Abkühlzeit.

Es wurde herausgefunden, daß die mechanischen Festigkeits-Einbußen, insbesondere bei wärmeaushärtbaren Legierungen, wie beispielsweise Aluminium, in um so engeren Grenzen gehalten werden können je kürzer die einzelnen Verfahrenschritte des Aufheizens, des Glühens und des Abkühlens sind.

Der Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit Rm und der 0, Rpo, 2 mit der Glühzeit ist in Fig. 3 grafisch dagestellt. Diese Ergebnisse basieren auf an einem Werkstück aus einer AlMgSi 0,5 Aluminium-Legierung durchgeführten Zugversuchen, bei welchen das Werkstück jeweils in ca. 45 Sekunden auf 350°C aufgeheizt wurde und vor dem Abkühlen entsprechend den in Fig. 3 aufgeführten Glüzeiten auf dieser Temperatur gehalten wurde.

Ferner wurde herausgefunden, daß insbesondere für warmaushärtbare Aluminiumlegierungen oberhalb einer Temperatur von ungefähr 250°C nachteilige Gefügeänderungen im Material stattfinden, die mit der Glühdauer stetig zunehmen. Diese nachteiligen Gefügeänderungen könner jedoch sehr gering gehalten, wenn, wie beispielsweise aus Fig. 3 zu sehen, die Glüh-bzw. Umformzeit möglichst kurz sind.

Entsprechendes gilt für die Aufheiz-und Abkühlzeiten, so daß hier dem Betrag nach möglichst große Aufheiz-und Abkühlunggradienten realisierbar sein sollen.

Für eine wirtschaftliche Umformgeschwindigkeit, die ab ungefähr 300°C Umformtemperatur erreicht wird, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Werkstücke mit Wandstärken im Bereich von 1 mm bis 4 mm aber auch von 4 mm bis 8 mm und sogar von 8 mm bis 12 mm. Es können hierbei wesentlich verbesserte Aufheizgradienten, Glühzeiten und Abkühlgradienten erzielt werden, so daß die erreichten Festigkeitswerte weit aus höher sind als bei den bisherigen Warmumformungsverfahren und im Vergleich zu kaltverformten Werkstücken bei 90h der ursprünglichen Festigkeit und mehr liegen.

Bei einer Wandstärke von 2 mm und einer Umformtemperatur von 300°C und höher sind hierzu Aufheizgradienten von wenigstens 10°/s, eine Umformzeit von maximal 15s und ein Abkühlungsgradient von wenigstens-10°/s notwendig.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Erwärmung eines Aluminiumrohrs mit einer Wandstärke von 2 mm ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Erwämungskurve der Fig. 4 beruht auf tatsächlich ermittelten Werten bei Erwärmung durch eine 350°C warme Flüssigkeit. Die Erwärmungskurve der Fig. 5 bei Erwärmung durch eine 350°C warme Flüssigkeit und in einem auf 350°C vorgewärmten Haltewerkzeug wurde aus den Daten der Kurve gemäß Fig. 4 unter Ausnutzung von Erfahrungswerten extrapoliert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit Gradienten realisiert werden, die während des Aufheizens bei 10°/s, vorzugsweise 20°/s, am stärksten vorzuziehen 35°/s und darüber liegen, wobei nachfolgend bereits eine maximale Umformzeit von nur 10 s und sogar nur 5 S ausreichend sein kann. Die erreichbaren Abkühlungsgradienten liegen bei -10°/s, vorzugsweise-20°/s, und am stärksten vorzuziehen bei-35°/s und dauber.

Es sei ferner festgehalten, daß die Erfindung nicht auf die Verformung innerhalb einer Preßform beschränkt ist, sondern auch auf das freie Verformen eines an beiden Enden abgedichteten Hohlprofil-Werkstücks anwendbar ist.