DE102007018395A1

DE102007018395A1 - Innenhochdruck-Umformverfahren

Info

Publication number: DE102007018395A1
Application number: DE102007018395A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Dörr; Rafael Garcia Gomez
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-18
Also published as: DE102007018395B4

Abstract

Innenhochdruck-Umformverfahren, bei welchem ein in einem Umformwerkzeug (1) umzuformendes, rohrförmiges Werkstück (2) aus einem Stahlwerkstoff vorgewärmt und anschließend in das Umformwerkzeug (1) eingelegt wird. Das Umformwerkzeug wird geschlossen, die Enden (3) des in einem Formhohlraum (4) des gekühlten Umformwerkzeugs (1) aufgenommenen Werkstücks (2) werden abgedichtet und anschließend wird ein Gas unter Druck in den Innenraum (6) des Werkstücks (2) eingeleitet. Das Werkstück (2) wird in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeugs (1) von außen in demselben Umformwerkzeug (1) gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Innenhochdruck-Umformverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Bereich der Warmumformung von Blechwerkstoffen sind zwei grundlegende Verfahren bekannt: erstens das Presshärten, d. h. das Warmformen von Blechen durch Tiefziehen in gekühlten Werkzeugen, sowie die Umformung von Rohren, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium durch Innenhochdruck-Umformung in geheizten Werkzeugen. Mit der Innenhochdruck-Umformung in geheizten Werkzeugen werden die Formgebungsmöglichkeiten, bedingt durch die Temperaturerhöhung erweitert. Zudem ergibt sich ein verbesserter Materialfluss, so dass durch geeignetes Nachschieben definierte Wanddicken besser einstellbar sind.
Ein Hydroformen von vorgewärmten Werkstücken in entsprechend aufgeheizten Werkzeugen stellt hohe Anforderungen an die Umformtechnologie. Bei der Umformung von Stahlrohren müssen die Werkzeuge auf mindestens 450°C, besser bis auf 930°C aufgeheizt werden. Dies ist aufgrund des entstehenden Zunders nur unter Verwendung von Nickelbasislegierungen oder keramischen Werkstoffen für die Werkzeuge möglich. Zudem kostet das Heizen der Werkzeuge viel Energie und erfordert spezielle Pressen, da die heißen Werkzeuge gegenüber der Presse isoliert werden müssen.
Ferner ist es bekannt, durch Innenhochdruck-Umformung warm umgeformte Rohre in einem zweiten Schritt einem Kaltverfestigungsprozess zu unterziehen. Hierbei kommt ein zweites Umformwerkzeug zum Einsatz ( DE 698 26 234 T2 ). Eine Härtung der warm umgeformten Rohre ist bei diesem Verfahren nicht angedacht.
Es zählt auch zum Stand der Technik bei der Innenhochdruck-Umformung das Umformwerkzeug zunächst aufzuheizen, um dadurch das Werkstück zu erwärmen. Anschließend wird dasselbe Umformwerkzeug wieder abgekühlt, um das Werkstück zu härten ( DE 698 03 588 T2 ). Bei dieser Vorgehensweise treten sehr hohe Energieverluste auf, bedingt durch die ständigen Temperaturwechsel. Zudem ist es schwierig, die kritischen Abkühlgeschwindigkeiten mit hinreichender Prozesssicherheit zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Weg aufzuzeigen, wie mittels Innenhochdruck-Umformung gehärtet Stahlrohre unter Minimierung der Energiekosten und Reduzierung der Werkzeugkosten mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Innenhochdruck-Umformverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Innenhochdruck-Umformverfahren sieht vor, dass ein umzuformendes, rohrförmiges Werkstück aus einem Stahlwerkstoff zunächst innerhalb oder außerhalb des Umformwerkzeugs vorgewärmt wird. Anschließend werden die Enden des in einem Formhohlraum des geschlossenen Umformwerkzeugs aufgenommenen Werkstücks abgedichtet, woraufhin ein Gas unter Druck in den Innenraum des Werkstücks eingeleitet wird.
Das Besondere ist, dass das Werkstück nicht in ein vorgeheiztes, sondern in ein gekühltes Umformwerkzeug eingelegt wird und dass zudem in das heiße Werkstück ein kühles Gas eingeleitet wird, wobei das Werkstück in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeugs von außen in demselben Umformwerkzeug gehärtet wird.
Bei diesem Verfahren erfolgt eine Warmumformung sehr schnell. Das ist erforderlich, da das Werkstück im Werkzeug sehr rasch abgekühlt wird. Daher beträgt die Zeitdauer der plastischen Umformung vorzugsweise nur wenige Sekunden. Insbesondere erfolgt die Umformung innerhalb von maximal 5 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 2 Sekunden. In dieser Zeitspanne erfolgt allerdings nur die Warmumformung. Die durch Kontakt mit dem Werkzeug einsetzende Härtung, ausgelöst durch die Kühlung des Umformwerkzeugs sowie durch das eingeleitete kältere Gas, erfordert Zuhaltezeiten, die sich in einer Zeitspanne bis von 1 bis 20 Sekunden bewegen können. Vorzugsweise sind die Zuhaltezeiten kleiner als 10 Sekunden.
Das Erwärmen des Werkstücks auf eine Temperatur oberhalb Ac3 kann außerhalb des Umformwerkzeugs in einem separaten Durchlaufofen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, das Werkstück innerhalb des gekühlten Umformwerkzeugs auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, insbesondere durch elektrische Widerstandserwärmung. Hierbei werden die Werkstücke im Umformwerkzeug endseitig mit Elektroden in Kontakt gebracht, die gegenüber dem Umformwerkzeug isoliert sind. Ein elektrischer Strom durchfließt das Werkstück und führt in kürzester Zeit zu einem starken Temperaturanstieg auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur. Bei dieser Vorgehensweise sind die Aufheizgeschwindigkeiten sehr hoch, sodass die Werkstücke zur vollständigen Austenitisierung auf höhere Temperaturen erwärmt werden müssen, als bei niedrigeren Aufheizgeschwindigkeiten, wie sie in einem Durchlaufofen vorherrschen. Bei der elektrischen Widerstandserwärmung mit hoher Aufheizgeschwindigkeit werden Temperaturbereiche um 1050°C angestrebt.
Das Gas soll eine Temperatur von unter 40°C aufweisen. Das Gas kann hierbei gezielt herunter gekühlt worden sein, was aus Gründen der Energiebilanz jedoch möglichst vermieden werden sollte. Da Gas ein relativ schlechter Wärmeträger ist und weil weitaus weniger Wärme vom Werkstück an das Gas abgegeben wird, als an das Umformwerkzeug, spielt die Temperatur des Gases eine weniger wichtige Rolle, als die Temperatur des Umformwerkzeugs. Theoretisch ist es möglich, dass die Temperatur des Gases in einem Bereich bis 300°C liegt. Am günstigsten ist es, wenn die Temperatur des Gases der Umgebungstemperatur entspricht und daher typischerweise in einem Bereich um 20°C liegt. Diese Temperatur liegt noch immer weit unter der Temperatur des Werkstücks, das auf eine Temperatur erwärmt worden ist, die mindestens der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Werkstoffs entspricht. Vorzugsweise liegt die Temperatur bei niedrigen Aufheizgeschwindigkeiten 30°C bis 50°C über der Austenitisierungstemperatur, d. h. typischerweise in einem Bereich von 920°C bis 970°C. Derartige Werkstücktemperaturen werden in separaten Öfen erzeugt, wobei das Werkstück nach der Entnahmen aus dem Ofen und beim Einlegen in das Umformwerkzeug immer noch eine Temperatur von mindestens 800°C aufweisen sollte. Die Handhabungsgeschwindigkeit der Werkstücke muss entsprechend hoch sein, um eine Abkühlung des Werkstücks so weit es geht zu vermeiden. Bei einer Erwärmung des Werkstücks im Umformwerkzeug, insbesondere durch elektrische Widerstandserwärmung, ist die Temperatur des Werkstücks unmittelbar vor Beginn des Umformvorgangs deutlich höher als 800°C und kann über 1000°C liegen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich rohrförmige Werkstücke aus einem Stahlwerkstoff in einem Zug, d. h. in nur einem einzigen Umformwerkzeug sowohl umzuformen, als auch in kürzester Zeit zu härten. Die Werkzeugkosten werden gegenüber bekannten, aufgeheizten Werkzeugen erheblich reduziert, da Standartwerkstoffe für die Werkzeuge zum Einsatz kommen können. Zu dem ist keine spezielle Isolation der Werkzeuge, d. h. eine zusätzliche Kühlung der Presse bzw. eines Pressenoberteils erforderlich. Es müssen auch keine separaten Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, in welchen das Werkstück in einem zweiten Schritt gekühlt, kaltverfestigt oder gehärtet werden muss.
Das Umformwerkzeug besitzt eine Temperatur, die maßgeblich abhängig ist von dem das Umformwerkzeug durchströmenden Kühlmedium. Bevorzugt hat das Kühlmedium eine Temperatur von unter 20°C, so dass auch die Umformwerkzeugtemperatur in einem Bereich unter 20°C liegt. Während des Betriebs kann sich die Temperatur des Umformwerkzeugs durch wiederholten Kontakt mit den vorgewärmten Werkstücken erhöhen. Dennoch wird angestrebt die Temperatur des Umformwerkzeugs in einem Temperaturbereich unterhalb von 50°C zu halten.
Der zur Umformung erforderliche Gasdruck kann einem Gasspeicher entnommen werden, der über ein Druckregelventil mit einem das Werkstück abdichtenden Abdichtdorn verbunden ist. Bei dem Druckgas kann es sich beispielsweise um Stickstoff aber auch um Pressluft handeln. Alternativ kann der erforderliche Prozessdruck des Gases über eine Relativbewegung eines Pressenoberteils in Schließrichtung des Umformwerkzeugs erzeugt werden. Beispielsweise kann durch Relativbewegung des Pressenoberteils eine Reduzierung eines Fluidvolumens, insbesondere des Gasvolumens erfolgen, das unmittelbar in das rohrförmige Werkstück eingeleitet werden soll. Es ist aber auch denkbar, dass ein Druckübersetzer zum Einsatz kommt. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit auf der Primärseite des Druckübersetzers durch das Absenken eines Pressenoberteils druckbeaufschlagt werden. Innerhalb des Druckübersetzers drückt die Flüssigkeit auf einen Kolben, der auf der Sekundärseite wiederum das zur Umformung benötigte Gas vorspannt und in das umzuformende Werkstück presst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Innenhochdruck-Umformung;
2: eine zweite Ausführungsform zur Innenhochdruck-Umformung und
3: eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Innenhochdruck-Umformung.
1 zeigt ein Umformwerkzeug 1, in welchem ein Werkstück 2 aus einem Stahlrohr aufgenommen ist. Das Werkstück 2 ist zuvor in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 erwärmt worden. Die Enden 3 des in dem Formhohlraum 4 des Umformwerkzeug 1 aufgenommenen Werkstücks 2 sind von Axialkolben 5 verschlossen, die dafür vorgesehen sind, den Innenraum 6 des Werkstücks 2 zu verschließen und in Richtung der Pfeile P nachzuführen.
In den Innenraum 6 des Werkstücks 2 wird nach dem Abdichten durch die Axialkolben 5 und Schließen des Umformwerkzeugs 1 ein Gas eingeleitet, das einem Druckspeicher 7 entnommen wird. Der Druckspeicher 7 wird von einem Kompressor mit Gas gespeist, das über das Rückschlagventil 8 in den Druckspeicher 7 eingeleitet wird. Der Druckspeicher 7 ist über ein Druckregelventil 9 absperrbar. Das Besondere ist, dass das Umformwerkzeug 1 gekühlt ist und eine Temperatur von unter 40°C aufweist und das auch das Gas aus dem Druckspeicher 7 eine Temperatur unter 40°C aufweist, wohingegen das Werkstück 2 zuvor auf einer Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt worden ist, bevor es mit hoher Handhabungsgeschwindigkeit in das Umformwerkzeug 1 eingelegt worden ist. Die plastische Umformung innerhalb des Umformwerkzeugs 1 erfolgt sehr schnell und vorzugsweise in einer Zeitspanne kleiner als 5 Sekunden. Im Anschluss an die plastische Umformung kann eine bestimmte Haltezeit im geschlossenen Umformwerkzeug 1 vorgesehen sein. Die Haltezeit kann größer sein als die Zeitspanne, die für die Umformung benötigt wird. Nach Beendigung des Umformvorgangs ist das umgeformte rohrförmige Werkstück 2 gehärtet.
Die Ausführungsform der 2 zeigt eine Variante, bei welcher der für die Umformung erforderliche Gasdruck durch Relativbewegung eines Pressenoberteils 10 in Schließrichtung des Umformwerkzeugs 1 resultiert. Das Umformwerkzeug 1 besteht aus einem Untergesenk 11 und einem Obergesenk 12. Das Pressenoberteil 10 ist mit dem Obergesenk 12 verbunden und hebt dieses zum Öffnen des Umformwerkzeugs 1 an bzw. senkt dieses zum Schließen ab. Wenn sich das Obergesenk 12 bereits in der Schließposition befindet, kann sich das Pressenoberteil 10 jedoch noch weiter absenken und somit relativ zum Obergesenk 12 bewegen. Dabei wird ein Kolben 13 einer Kolben-Zylinder-Anordnung 14 in einen Zylinder 15 gedrängt, in welchem ein Gasdruck aufgebaut wird. Das Gas kann wiederum von einem Kompressor in die Kolben-Zylinder-Anordnung 14 eingebracht werden. Ein Rückschlagventil 8 verhindert ein Zurückströmen des Gases. Über ein Druckregelventil 9 kann das Gas von der Kolben-Zylinder-Anordnung 14 in den Innenraum 6 des Werkstücks 2 eingeleitet werden. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Umformwerkzeug 1 mit Kühlkanälen 16 versehen, um das Umformwerkzeug 1 auf die gewünschte Temperatur zu kühlen.
Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 2 dadurch, dass sich in der Kolben-Zylinder-Anordnung 14 eine Flüssigkeit befindet, die beim Absenken des Pressenoberteils 10 relativ zum Obergesenk 12 in einen Druckübersetzer 16 geleitet wird. Ein Kolben 17 des Druckübersetzers wird primärseitig von der Flüssigkeit aus der Kolben-Zylinder-Anordnung 14 beaufschlagt und komprimiert sekundärseitig das zur Umformung des Werkstücks 2 erforderliche Gas. Das Gas befindet sich auf der Sekundärseite 18 des Druckübersetzers 16. Die Sekundärseite 18 wird über einen Kompressor mit Gas gespeist. Ein Rückschlagventil 8 verhindert wiederum ein Zurückströmen des Gases zum Kompressor. Das Einleiten des Gases in das Werkstück 2 wird wiederum über ein Druckregelventil 9 gesteuert bzw. geregelt. Der Aufbau des Umformwerkzeugs 1 entspricht demjenigen der 2.

1: Umformwerkzeug
2: Werkstück
3: Ende
4: Formhohlraum
5: Axialkolben
6: Innenraum
7: Druckspeicher
8: Rückschlagventil
9: Druckregelventil
10: Pressenoberteil
11: Untergesenk
12: Obergesenk
13: Kolben
14: Kolben-Zylinder-Anordnung
15: Zylinder
16: Druckübersetzer
17: Kolben
18: Sekundärseite
P: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69826234 T2 [0004]
- DE 69803588 T2 [0005]

Claims

Innenhochdruck-Umformverfahren, bei welchem ein in einem Umformwerkzeug (1) umzuformendes, rohrförmiges Werkstück (2) aus einem Stahlwerkstoff innerhalb oder außerhalb des Umformwerkzeugs (1) vorgewärmt wird, wobei die Enden (3) des in einem Formhohlraum (4) des geschlossenen Umformwerkzeugs (1) aufgenommen Werkstücks (2) abgedichtet werden und wobei anschließend ein Gas unter Druck in in den Innenraum (6) des Werkstücks (2) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) in ein gekühltes Umformwerkzeug (1) eingelegt wird und dass in das Werkstück (2) ein Gas eingeleitet wird, wobei das Werkstück (2) in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeugs (1) von außen in demselben Umformwerkzeug (1) gehärtet wird.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einer Temperatur unter 40°C eingeleitet wird.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Werkstücks (2) in einer Zeitspanne von bis zu 5 Sekunden erfolgt.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Umformwerkzeugs (1) in einem Bereich von 4°C bis 50°C liegt.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegt.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) vor der Umformung innerhalb des gekühlten Umformwerkzeugs durch elektrische Widerstandserwärmung erwärmt wird.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) unmittelbar vor Beginn der Warmumformung eine Temperatur von mindestens 800°C besitzt.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) aus einem Untergesenk (11) und einem Obergesenk (12) besteht, wobei der Gasdruck im Werkstück (2) durch Relativbewegung eines Pressenoberteils (10) in Schließrichtung des Umformwerkzeugs (1) erzeugt wird.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck durch einen Druckübersetzer (16) verstärkt wird, welcher auf seiner Primärseite von einem Fluiddruck beaufschlagt wird, welcher wiederum aus einer Relativbewegung des Pressenoberteils (10) in Schließrichtung des Umformwerkzeugs (1) resultiert.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Stickstoff verwendet wird.
Innenhochdruck-Umformverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Pressluft verwendet wird.