Verfahren zum Erhöhen der Wandungsstärke bei Hohlprofilen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bereiches erhöhter Wandungsstärke an einem länglichen Hohlprofil sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die deutsche Patentanmeldung 44 37 395 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verformen eines Rohrendes, bei dem das zu verformende Rohr Innen- und Axialdruck ausgesetzt wird, wobei das Rohr in einer den Rohraußenmaßen entsprechenden Matrize festgelegt wird und wobei ferner in dem zu verformenden Endbereich des Rohres die Matrize mit einem auf die nach dem Verformungsvorgang vorgesehenen Enddimeπsionen des Rohres abgestimmten Profil versehen ist und das Rohr über zumindest einen Axialkolben einem stirnseitigen Druck und zugleich mittels Fluid zumindest in dem zu verformenden Bereich einem Radialdruck ausgesetzt wird.

Die Praxis, Hohlprofile über Axialdruck und gleichzeitig ausgeübtem Radialdruck mittels Fluid zu verformen ist unter dem Begriff „Innenhochdruckumformen" bekannt (vgl. DE-A 29 35 086, EP 0 484 789 B1 ). Eine Erhöhung der Wandstärke beim umgeformten Hohlprofil ist damit nicht verbunden, vielmehr ergibt sich aufgrund der Materialstreckung eine Verminderung der verbleibenden Wandstärke. Ein Verfahren zum Anstauchen von Profilenden durch plastische Verformung mittels abgesetztem Axialkolben ist in der US-Patentschrift 5,203,194 beschrieben. Die Einleitung zusätzlichen Radialdruckes mittels eines Fluids ist dabei nicht vorgesehen.

Die Patentanmeldung DE 44 37 395 A1 befaßt sich in erster Linie mit der plastischen Verformung von Rohrenden für die Herstellung von masseoptimierteπ und langlebigen Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren. Bereiche solcher Baugruppen mit funktionsbedingt veränderten

Querschnittsabmessungen dienen beispielsweise dem Zweck des Befestigens von besonderen Maschinenelementen oder Baugruppen. Solche Baugruppen und Maschinenelemente können u. a. Schalldämpfer, Katalysatoren oder Anschlußflansche sein.

Ziel der Patentanmeldung DE 44 37 395 A1 ist es, ein Verfahren zum Anstauchen von Rohrenden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hervorzubringen, mit deren Hilfe ein rohrförmiges Bauelement mit den im allgemeinen optimalen Querschnittsabmessungen so mit Endabschnitten verstärkter Querschnittsabmessungen ausgestattet werden kann, daß der Innendurchmesser praktisch übergangslos auch im Bereich des Rohrendes unverändert erhalten bleibt und dennoch für das Anfügen weiterer Komponenten, z. B. mittels Schweißverbindung, die erforderlichen Querschnittsabmessungen verfügbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gestaltungsmöglichkeiten des bekannten Verfahrens zu erhöhen.

Ausgehend von einer Verfahrensweise gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist die erfindungsgemäße Lösung im Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu sehen.

Sonach ist es möglich, durch mehr oder weniger geringfügige werkzeugseitge Modifikationen nicht nur den Endbereich eines länglichen Hohlprofiles mit einer erhöhten Wandungsstärke auszustatten, sondern vielmehr auch jeden beliebigen Bereich zwischen den Profilenden. Das Hohlprofil selbst kann dabei jede beliebige Querschnittsform aufweisen, (z. B. rechteckig, wie in der US-A 5, 203,194 beschrieben; kreisrund, polygonal, offen oder geschlossen usw.). Hierzu ist es lediglich erforderlich, Matrize bzw. Axialkolben in gleicher Weise zu formen.

Das Hohlprofil kann des weiteren sowohl aus einem metallischen als auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff (z. B. Kunststoff) bestehen.

Gemäß Patentanspruch 2 können in einem Arbeitsgang zwischen den Profilenden liegende Bereiche und zusätzlich auch die Profilenden angestaucht und bei der damit einhergehenden plastischen Verformung mit einer erhöhten Wandstärke ausgestattet werden.

Patentanspruch 9 beansprucht eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung.

Unter ergänzender Bezugnahme auf die Erläuterungen in der Patentanmeldung DE 44 37 395 A1 ist die Erfindung nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Vorrichtung mit eingelegtem und zu verformendem Hohlprofil mit einem Axialkolben in einer Ausgangs- bzw. einer Endstellung,

Fig. 2 eine abgewandelte Vorrichtung mit zwei gegenüberliegend angeordneten Axialkolben in Ausgangs- bzw. Endstellung und

Fig. 3 eine nochmals abgewandelte Vorrichtung, wiederum mit zwei gegenüberliegend angeordneten Axialkolben und zwei umzuformenden Hohlprofilbereichen.

Gemäß Fig. 1 ist ein Hohlprofil 1 , beispielsweise ein Stahlrohr, in eine geteilte Hohlmatrize 2 eingelegt, wobei die Matrizen-Trennebene 3 zur Zeichenebene orthogonal verlaufend, die Längsachse 4 des Hohlprofiles 1 schneidet. Das Hohlprofil 1 reicht soweit in den Hohlraum 10 der Hohlmatrize 2 hinein, daß es stirnseitig am Boden 5 anliegt.

Etwa im mittleren Bereich des Hohlprofiles 1 besitzt die geteilte Hohlmatrize 2 umlaufend eine Querschnittserweiterung, so daß sich zwischen der Außenwaπdung des Hohlprofiles 1 und dem in diesem Bereich erweiterten Innendruchmesser der Hohlmatrize 2 ein Zwischenraum 6 bildet. Der Übergang vom kleineren zum größeren Durchmesser ist als Haltekante 7 mit jeweils einem Winkel von ca. 30° gegenüber der Senkrechten zur Längeachse 4 ausgebildet.

Zum Werkzeugsatz gehört außerdem ein Axialkolben 8, der mit einer durchgehenden axialen Bohrung 9 für ein Fiuid ausgestattet ist. Als Druckflüssigkeit eignet sich beispielsweise Wasser, vorzugsweise Wasser mit synthetischen Zusätzen.

Der profilierte Axialkolben 8 besteht aus einem vorderen, in das Hohlprofil 1 einzuführenden und in der Formgebung entsprechend angepaßten Kolbenteil 8.1 , an den sich ein hinterer, den Abmaßen des Hohlraumes 10

angepaßter Kolbenteil 8.2 anschließt. Der Übergang vom kleinern auf den größeren Querschnitt des Axialkolbens 8 ist als Dichtschulter 12 ausgebildet, deren axiale Schnittfläche geringfügig (z. B. 15°) zur Senkrechten der Längsachse 4 des Axialkolbens 8 geneigt ist.

Der Axialkolbeπ 8 besitzt im Bereich des Zwischenraumes 6 der Hohlmatrize 2 eine Anzahl (z. B. sechs) von Reihen sternförmig angeordneter, radialer Bohrungen 13, die zwischen der axialen Bohrung 9 und der Umfangsfläche des Axialkolbens 8 sich erstrecken. Jede Bohrungsreihe liegt auf einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene und besteht aus einer Anzahl (z. B. sechs) von Einzelbohrungen, die einen gleichmäßigen Versatz (z. B. Winkel 60°) zueinander aufweisen.

Der Axialkolben 8 wird nach seiner Anlage mit der Dichtschulter 12 an der Stirnseite des Hohlprofiles 1 (das Ende des vorderen Kolbenteiles 8.1 liegt dabei etwa im Bereich der vorderen Haltekante 7 des Zwischenraumes 6) zunächst mit einer axialen Schubkraft F _A (z. B. 5 kN) belastet. Daraufhin wird durch die axiale Bohrung 9 das Fluid durch den Axialkolben 8 gepumpt und anschließend mit einem gewissen Druck (z. b. 0,5 MPa) belastet. In dieser Situation bildet sich zwischen der Stirnseite des Axialkolbens 8 und dem Boden 5 der Hohlmatrize 2 ein Preßsitzbereich (Hohlraum 10) aus, in dem das an der Matrizenwandung anliegende Hohlprofil 1 gegen Ausknicken gestützt wird. Das Fluid liegt darüberhinaus über die radialen Bohrungen 9 am zu stauchenden Bereich des Hohlprofiles 1 an. Mit der Vergrößerung der axialen Schubkraft F _A auf den Axialkolben 8 (z. B. bis auf einen Wert von über 100 kN) und der gleichzeitigen Vergrößerung des Innendruckes P ₍ des Fluids (z. B. auf wenigstens 15 MPa) erfolgt das plastische Umformen des Hohlprofiies 1 im umzuformenden Bereich bis zum vollständigen Ausfüllen des Zwischenraumes 6. Der wandverstärkte Bereich 14 des Hohlprofiles 1 (siehe unterer Teil von Fig. 1 ) besitzt einen unveränderten Innenquerschnitt, jedoch eine um z. B. drei Millimeter verstärkte Wanddicke.

Nach Abschluß des Umformprozesses wird der Axialkolben 8 aus der geteilten Hohlmatrize 2 bei gleichzeitiger Entspannung des Fluids herausgefahren. Nach Auseinanderfahren der Hohlmatrizen-Teile kann das umgeformte Hohlprofil 1 entnommen und anschließend bedarfsweise weiter bearbeitet (z. B. gebogen, mit anderen Bauteilen mittels Schweißen verbunden usw.) werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also mittels eines Stauchvorganges eine bereichsweise Wandverstärkung eines Hohlprofiles 1 erreicht. Dabei findet im Stauchbereich unter der Wirkung der radialen Belastung durch das Fluid auch eine tangentiale Belastung der Hohlprofilwand im Zuge des eingeleiteten Aufweitungsprozesses und zugleich die axiale Druckbelastung durch die Schubkraft des Axialkolbens 8 statt. Die daraus resultierende mehrdimensionale Belastung übersteigt definiert den elastischen Verformungswiderstand und führt zur gewünschten plastischen Verformung.

Es ist sinnvoll, die axiale Schubkraft F _A gemeinsam mit dem Innendruck P ₍ in Abhängigkeit von der offenen Profilquerschπittsfläche A _R nach der Beziehung

zu steigern. Damit wird u. a. sichergestellt, daß es keinesfalls infolge einseitig gesteigerter axialer Schubkräfte zum Ausknicken der Profilwand im Preßsitzbereich kommt. Gleichzeitig wird die Dichtheit zwischen Dichtschulter 12 und Stirnseite des Hohlprofiles 1 gewährleistet.

Die mit der Dichtschulter 12 des Axialkolbens 8 eine Dichtpaarung bildende Stirnseite des Hohlprofils 1 wird durch spanabhebende, kaltumformende, mechanische oder thermische Trennverfahren als eine die Dichtheit und die axiale Belastbarkeit gewährleistende Fläche hergestellt.

Denkbar wäre, daß ggf. auf die radialen Bohrungen 9 verzichtet werden kann, weil durch die vorhandene Bemaßungstoleranz zwischen vorderem Kolbenteil 8.1 und Inπenwandung des Hohlprofiles 1 und der damit einhergehenden gewissen Undichtigkeit der radiale Druckaufbau durch das Fluid und damit die radiale Belastung des Hohlprofiles 1 im Bereich des Zwischenraumes 6 ohnehin gegeben ist.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Werkzeuges zur Herstellung einer Wandstärkenerhöhung im mittleren Bereich des Hohlprofiles 1. Im wesentlichen kann dabei auf die vorstehenden Ausführungen zum Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 zurückgegriffen werden, weshalb auch an entsprechender Stelle die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine geteilte Matrize 15 verwendet, deren Trennebene entlang der Längsachse 4 verläuft. Abweichend zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kommen nunmehr zwei Axialkolben 16 zum Einsatz, jeweils bestehend aus einem vorderen Kolbenteil 16.1 und einem hinteren Kolbenteil 16.2. Bei der Umformung, also dem Stauchvorgang zum Ausfüllen des Zwischenraumes 16 mit dem Material des Hohlprofiles 1 , können sich beide Axialkolbeπ 16 aufeinanderzubewegen (Schubkraft F _A ), jeweils unter gleichzeitigem Aufbringen des Fluiddrucks Pj. Denkbar ist aber auch, daß nur einer der beiden Axialkolben 16 sich bewegt, während der andere lediglich zum Abdichten des Systems (Dichtschulter 12) sowie zum Abstützen des Hohlprofil-Materials im Bereich der Haltekante 7 dient.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 arbeitet ebenfalls mit 2 Axialkolben 16,17, die sich in einer wiederum geteilten Matrize 18 bewegen. Abweichend zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist, daß nunmehr nicht nur zwischen den Profilenden (also z. B. im mittleren Bereich) des Hohiprofiles 1 ein wandverstärkter Bereich 14 entsteht, sondern daß ein solcher wandverstärkter Bereich 19 zusätzlich an einem der beiden Profilenden (am rechten) selbst herausgebildet wird. Selbstverständlich könnte dieser wandverstärkte Bereich auch am gegenüberliegenden Profilende ausgebildet werden, oder auch an beiden Profilenden.

Zu diesem Zweck ist die geteilte Matrize 18 im Bereich des besagten Profiiendes mit einer entsprechenden Querschnittserweiterung ausgestattet, so daß ein weiterer Zwischenraum 20 entsteht, der später, nach der Umformung, mit dem Material des Hohlprofiles 1 gefüllt ist.

Damit bei der Bewegung der beiden Axialkolben 16,17 (oder auch nur der Bewegung eines der beiden Kolben) zunächst der Zwischenraum 6 und erst danach der Zwischenraum 20 im Rahmen des Fließpreßvorganges mit dem Material des Hohlprofiles 1 gefüllt werden (auch die umgekehrte Reihenfolge ist denkbar), ist es sinnvoll, das Material des Hohlprofiles 1 im Bereich des Zwischenraumes 6 gezielt so zu behandeln, daß es letztendlich „verformungswilliger" wird, als dies im Bereich des Zwischenraumes 20 der Fall ist. Dies kann beispielsweise durch lokale reibungsmindernde Beschichtungen des Werkzeuges (Matrize 18 und/oder Axialkolben 16,17) und/oder des Hohlprofiles 1 geschehen. Dies kann weiter beispielsweise durch eine lokale Aufheizung (über die Länge des Zwischenraumes 6

verlaufende und das Hohlprofil 1 dort umgebende, in der geteilten Matrize 18 angeordnete Heizkanäle 22) geschehen. Bei der Temperaturführung ist allerdings der Siedepunkt des Fluids (z. B. Wasser) zu beachten, so daß diese Maßnahme von begrenzter Wirkung ist, insbesondere dann, wenn das Hohlprofil 1 aus einem metallischen Werkstoff besteht. Eine weitere Möglichkeit wäre, daß das Hohlprofil 1 im Bereich des Zwischenraumes 6 von vorneherein eine etwas geringere Wandstärke aufweist oder weichgeglüht ist (Hohlprofil aus Metall), also von daher schon „verformungswilliger" ist, als dies im Bereich des Zwischenraumes 20, also an dem ebenfalls umzuformenden Profilende der Fall ist. Vorstehende Maßnahmen könnten sich auch dann als sinnvoll erweisen, wenn mindestens zwei zwischen den Profilenden gelegene Bereiche des Hohlprofiles 1 eine erhöhte Wandstärke erhalten sollen und am Profilende selbst keine Wandstärkenerhöhung vorgesehen ist.