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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers
aus Metall, welcher mindestens einen ersten Axialabschnitt mit einer
ersten Querschnittsfläche und einen zweiten Axialabschnitt mit
einer zweiten Querschnittsfläche aufweist und bei welchem
beide Axialabschnitte des Hohlkörpers über einen
in einer Radialebene verlaufenden Formübergang miteinander
verbunden sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Im
Kraftfahrzeugbau sowie im Rohrleitungsbau werden häufig
Hohlkörper benötigt, welche in axialer Richtung
große Querschnittsformänderungen in nur kurzer
axialer Länge, beispielsweise von einem kleinen Querschnitt
auf einen großen Querschnitt, aufweisen. Der Formübergang
zwischen den unterschiedliche Querschnittsformen aufweisenden Axialabschnitte
dieser Hohlkörper verläuft daher im Wesentlichen
in einer Radialebene. Als ein typisches Beispiel kann eine Abgasanlage
eines Kraftfahrzeuges angesehen werden, welche im Bereich des Schalldämpfers
einen entsprechend ausgeführten Hohlkörper aufweist.
Andere Hohlkörper sind beispielsweise Trägerenden
einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs oder Fittinge von Rohrleitungssystemen.
All diese Hohlkörper werden häufig über mehrere
miteinander verbundene, insbesondere verschweißte, Bleche
hergestellt, welche zu einem entsprechenden Hohlkörper
umgeformt wurden. Die Festigkeit der so hergestellten Hohlkörper
ist aufgrund der Vielzahl der Schweißnähte jedoch
verbesserungswürdig. Zudem sind Schweißnähte
korrosionsanfällig und erhöhen den Aufwand zur
Herstellung. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Herstellverfahren
bekannt, um beispielsweise aus einem rohrförmigen Körper
entsprechende Hohlkörper mit stark abgesetztem Formübergang
herzustellen. Beispielsweise ermöglicht das Drücken
von Blechronden oder tiefgezogenen Vorformkörpern ebenfalls
radial verlaufende Formübergänge. Allerdings können diese
Formübergänge zumeist nur an den Rohrenden hergestellt
werden und führen zu einer starken Ausdünnung
der Blechdicke. Gleiches gilt auch für das Innenhochdruckumformen,
welches zusätzliche hohe Investitionen im Bereich der Werkzeuge
erfordert. Die beispielsweise bekannte Einrolltechnik zur Herstellung
von Hohlkörpern beliebigen Querschnitts aus Metall aus
einer Platine ermöglicht nur die Herstellung von Formübergängen,
welche über einen längeren Übergangsbereich
axial verlaufen. Im Wesentlichen in einer Radialebene verlaufende
Formübergänge sind durch die Verwendung der Einrolltechnik
nicht herstellbar. Schließlich kann durch eine Warmumformung
ein in einer Radialebene verlaufender Formübergang hergestellt
werden. Allerdings ist auch dieses Verfahren, insbesondere aufgrund
der notwendigen Erwärmung, kostenintensiv.
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Aus
der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung
JP 2005279706 A ist
darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers
mit einem Formübergang bekannt, bei welchem durch einen
in den Hohlkörper eingeführten Formstempel ein Axialabschnitt
mit einer verringerten Querschnittsfläche aus einem Bereich
mit größerer Querschnittsfläche gezogen
wird. Einerseits wird bei dem Verfahren der Formübergang
zwischen dem kleineren und größeren Querschnitt
nicht beeinflusst, sondern vielmehr der kleinere Querschnittsbereich
ausgezogen. Darüber hinaus ist die Blechdickenabnahme bei
dem bekannten Verfahren relativ groß.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gattungsgemäßen
Hohlkörpers zur Verfügung zu stellen, welches
bzw. welche wirtschaftlich betrieben werden kann und mit welchem
bzw. mit welcher eine hohe Festigkeit aufweisende Hohlkörper
mit im Wesentlichen in einer Radialebene verlaufendem Formübergängen
und nahezu gleich bleibender Blechdicke hergestellt werden können.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete
Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst,
dass ein Vorformkörper hergestellt wird, welcher mindestens
einen sich in Axialrichtung des herzustellenden Hohlkörpers
erstreckenden, zwischen dem ersten und dem zweiten Axialabschnitt
angeordneten Übergangsbereich aufweist, wobei im Übergangsbereich
sich die Querschnittsfläche des Vorformkörper
von der Querschnittsfläche des ersten Axialabschnitts in
die Querschnittsfläche des zweiten Axialabschnitts, vorzugsweise
kontinuierlich ändert, der Vorformkörper in einem
Gesenk aufgenommen wird, wobei das Gesenk die endgültige
Außenform des herzustellenden Hohlkörper aufweist,
ein Formdorn in den Vorformkörper eingeführt wird,
wobei der Formdorn die Innenform des herzustellenden Hohlkörpers
aufweist und durch eine axiale Bewegung des Formdorns der Vorformkörper
im Gesenk in die Endform des Hohlkörpers formgestaucht
wird.
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Es
hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Blechdickenabnahme minimal ist, da beim Formstauchen
des Formübergangs bzw. durch die Stauchung des Übergangsbereich
des Vorformkörpers ein Materialfluss erzeugt wird, welcher
die Blechdickenabnahme in stark umgeformten Bereichen deutlich reduziert.
Der so hergestellte Hohlkörper mit einem im Wesentlichen
in einer Radialebene verlaufenden Formübergang zwischen
zwei Axialabschnitten weist eine sehr homogene Blechdicke auf. Einerseits
kann der Hohlkörper aufgrund des zwei Arbeitsschritte umfassenden
Verfahrens, nämlich die Herstellung des Vorformkörpers
und das Formstauchen des Vorformkörpers, sehr wirtschaftlich
durchgeführt werden, andererseits weist der resultierende
Hohlkörper in Bezug auf Stabilität sehr gute Eigenschaften
auf. Als einer im Wesentlichen in einer Radialebene verlaufender
Formübergang wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch
jeder Formübergang angesehen, welcher zur Senkrechten zur
Axialrichtung eine Abweichung von maximal +/–20° aufweist.
Der im Wesentlichen in einer Radialebene verlaufende Formübergang
erfolgt erfindungsgemäß zwischen unterschiedliche
Querschnittsflächen aufweisenden Axialabschnitten des Hohlkörpers,
also beispielsweise zwischen einem kleinen und einem großen
Querschnitt aufweisenden Axialabschnitten und/oder zwischen unterschiedliche
Querschnittsformen, wie beispielsweise kreisrund und vieleckig,
aufweisenden Axialabschnitten des Hohlkörpers.
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Die
axialen Längen der Axialabschnitte des herzustellenden
Hohlkörpers mit unterschiedlichen Querschnittsflächen
können unterschiedlich lang, bevorzugt eine Aufteilung
von beispielsweise 1/3 zu 2/3 aufweisen, wobei 1/3 der Länge
sich auf größere Querschnittsflächen
bezieht. Mit den bekannten Verfahren war es bisher häufig
nur möglich, in Endbereichen radial verlaufende Formübergänge
beispielsweise in einen rohrförmigen Körper einzubringen. Um
die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter zu steigern, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Vorformkörper
aus mindestens einer Platine beispielsweise unter Verwendung der Einrolltechnik
oder durch ein U-O-Umformen hergestellt wird. Beide Verfahren, die
Einrolltechnik sowie das U-O-Umformen, sind bereits erprobt und
ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung von Hohlkörpern,
welche als Vorformkörper verwendet werden können.
Sowohl bei der Einrolltechnik als auch beim U-O-Umformen wird die
umgeformte Platine im Kantenbereich miteinander verschweißt.
Insbesondere weisen die mit diesen Verfahren hergestellten Vorformkörper
aufgrund der materialschonenden Vorverfahren weiterhin sehr gute
Umformeigenschaften auf. Im zweiten Verfahrensschritt, dem Formstauchen,
können damit ebenfalls noch große Umformgrade
erzielt werden.
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Vorzugsweise
wird die Länge des Übergangsbereichs des Vorformkörpers
abhängig von der Wanddicke der umgeformten Platine, der
Formänderung im Formübergang und abhängig
vom Werkstoff ausgewählt. Hierdurch kann die Prozesssicherheit des
erfindungsgemäßen Verfahrens weiter gesteigert und
insbesondere die Blechdickenänderung durch das erfindungsgemäße
Verfahren kontrolliert werden. Zur Erzielung maximaler Umformgrade
sollte zusätzlich die Herstellbarkeit des Vorformkörpers mittels
Einrolltechnik oder U-O-Umformen gegeben sein.
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Besonders
vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren,
wenn der Vorformkörper in mindestens einem Axialabschnitt
die Außen- und Innenform des herzustellenden Hohlkörpers
aufweist. Hierdurch gestaltet sich das Formstauchen besonders einfach, da
der Formdorn auf einfache Weise in diesem Axialabschnitt des Vorformkörpers
verschiebbar angeordnet werden kann. Vorzugsweise werden rohrförmige Vorformkörper
umgeformt, sodass auf einfache Weise Fittinge oder Teile von Abgasanlagen
oder Trägerenden einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeuges hergestellt
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden Funktionselemente oder Nebenformelemente in den
herzustellenden Hohlkörper eingebracht, so dass auf das nachträgliche
Einbringen dieser Elemente verzichtet werden kann. Vorzugsweise
kann das Einbringen der Funktionselemente und/oder Nebenformelemente
in dem Gesenk zur Herstellung des Vorformkörpers oder im
Gesenk zum Formstauchen des Formübergangs wie auch im Formdorn
selbst integriert werden. Funktionselemente bzw. Nebenformelemente können
beispielsweise Verprägungen, Löcher oder Laschen
in der Mantelfläche des Hohlkörpers sein. Andere
Funktionselemente sind ebenso denkbar.
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Um
die notwendige Festigkeit zur Verfügung zu stellen, werden
vorzugsweise zur Herstellung des Vorformkörpers Platinen
aus Stahl, einer Stahllegierung, insbesondere aus hochfesten Stählen
verwendet. Insbesondere ermöglicht erst das erfindungsgemäße
Verfahren den Einsatz von hochfesten Stählen, da insgesamt
keine großen Umformgrade zur Herstellung des Hohlkörpers
benötigt werden.
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Um
den Hohlkörper besser an den Anwendungsfall anzupassen,
ist es vorteilhaft, dass der Vorformkörper aus "Tailored
Blanks" hergestellt wird. "Tailored Blanks" sind auf den jeweiligen
Anwendungsfall angepasste, beispielsweise aus Blechen mit unterschiedlichen
Materialstärken und/oder Materialgüten bestehende
Blechzuschnitte.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch eine Vorrichtung dadurch gelöst, dass ein
erstes Gesenk zur Herstellung einer Vorformkörpers aus einer
Platine unter Verwendung der Einrolltechnik oder des U-O-Umformverfahrens
vorgesehen ist, wobei das erste Gesenk so ausgebildet ist, dass
der Vorformkörper mindestens einen sich in Axialrichtung des
herzustellenden Hohlkörpers erstreckenden, zwischen dem
ersten und den zweiten Axialabschnitt angeordneten Übergangsbereich
aufweist und im Übergangsbereich sich die Querschnittsfläche
des Vorformkörpers von der Querschnittsfläche
des ersten Axialabschnitts in die Querschnittsfläche des zweiten
Axialabschnitts vorzugsweise kontinuierlich ändert, und
mindestens ein zweites Gesenk zur Aufnahme des hergestellten Vorformkörpers
mit einem Formdorn vorgesehen ist, wobei das zweite Gesenk die äußere
Endform des Hohlkörpers aufweist, der Formdorn die innere
Endform des herzustellenden Hohlkörpers aufweist und der
Formdorn relativ zum zweiten Gesenk axial verschiebbar ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße
Verfahren auf wirtschaftliche Art und Weise durchgeführt
werden, so dass im Hinblick auf die Vorteile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auf die Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens hingewiesen wird. Darüber hinaus erfordern die
notwendigen Gesenke zur Herstellung des Vorformkörpers
und zum Formstauchen des Hohlkörpers in seine endgültige
Form keine hohen Investitionen und tragen insofern zur Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens bei.
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Weitere
Arbeitsschritte können gemäß einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dadurch vermieden werden, dass das erste und/oder das zweite Gesenk
und/oder der Formdorn Mittel zur Einbringung von Funktions- und/oder
Nebenformelementen in den Hohlkörper aufweist. Diese müssen
dann nicht durch zusätzliche Arbeitsschritte oder Vorrichtungen
eingebracht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sieht vor, dass Mittel zum automatischen Transport einer
Platine in das erste Gesenk der Vorrichtung und/oder Mittel zum Einlegen
des Vorformkörpers in das zweite Gesenk und/oder Mittel
zur Entnahme des Hohlkörpers aus dem zweiten Gesenk vorgesehen
sind. Die Mittel verbessern insbesondere die Zykluszeiten zur Herstellung
des Hohlkörpers deutlich und führen insofern zu einer
besonders wirtschaftlichen Herstellweise der Hohlkörper.
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Gemäß einer
dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch einen Hohlkörper aus Metall, welcher mindestens
einen ersten Axialabschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche
und einen zweiten Axialabschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche
aufweist und bei welchem beide Axialabschnitte des Hohlkörpers über einen
im Wesentlichen in einer Radialebene verlaufenden Formübergang
miteinander verbunden sind, dadurch gelöst, dass dieser
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wird und die maximale Blechdickenänderung, insbesondere
im Bereich des Formübergangs +/–15% beträgt.
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Wie
zuvor ausgeführt, ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren eine besonders schonende Herstellung eines Hohlkörpers
mit im Wesentlichen in einer Radialebene Formübergang zwischen
Axialabschnitten unterschiedlicher Querschnittsflächen
und ermöglicht damit besonders geringe Blechdickenänderungen
des Hohlkörpers.
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Schließlich
können besonders hohe Festigkeiten aufweisende Hohlkörper
mit radialem Formübergang dadurch zur Verfügung
gestellt werden, dass der Hohlkörper aus Stahl, einer Stahllegierung und/oder
hochfesten Stählen besteht. Wie bereits zuvor ausgeführt,
können durchaus auch "Tailored Blanks" zur Herstellung
der Hohlkörper verwendet werden, so dass eine Anpassung
des Hohlkörpers an die in der Anwendung auftretenden Belastungen
bei gleichzeitiger Gewichtsoptimierung erzielt werden kann. Insbesondere
die Verwendung von hochfesten Stählen führt dazu,
dass die so herstellten Hohlkörper an hohe Belastungen
angepasst sind.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße
Verfahren, die Vorrichtung sowie den erfindungsgemäßen
Hohlkörper auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird
einerseits verwiesen auf die den Patentansprüchen 1, 8
und 11 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
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1 in
einer axialen Schnittansicht den Vorformkörper eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörpers,
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2 das
zweite Gesenk zum Formstauchen des Vorformkörpers eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung vor dem Formstauchen des Vorformkörpers in
einer schematischen Axialschnittansicht und
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3 das
Gesenk aus 2 nach dem Formstauchen des
Vorformkörpers in einer schematischen Axialschnittansicht.
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In 1 ist
zunächst der Vorformkörper 1 in einer
schematischen, axialen Schnittansicht dargestellt. Der Vorformkörper
weist einen ersten Axialabschnitt 2 mit einer ersten Querschnittsfläche
und einen zweiten Axialabschnitt 3 mit einer zweiten Querschnittsfläche
auf. Die Querschnittsfläche des ersten Axialabschnitts 2 ist
kleiner als die Querschnittsfläche des zweiten Axialabschnitts 3.
Im sich in Axialrichtung erstreckenden Übergangsbereich 4,
welcher zwischen beiden Axialabschnitten 2, 3 angeordnet ist, ändert
sich die Querschnittsfläche des Axialabschnitts 2 auf
die Querschnittsfläche des Axialabschnitts 3.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Formübergang
in dem sich in axialer Richtung erstreckenden Übergangsbereich 4 kontinuierlich
bzw. linear. Es sind aber auch andere Formübergänge denkbar.
Der in 1 gezeigte Vorformkörper 1 kann beispielsweise
durch die Anwendung der Einrolltechnik oder einer U-O-Umformung
hergestellt werden. Vorliegend weist der Vorformkörper,
wie auch der fertig gestellte Hohlkörper einen kreisförmigen
Querschnitt auf und ist damit besonders einfach ausgebildet. Wie
bereits ausgeführt, kann der Formübergang aber
auch zwischen unterschiedlichen Querschnittsformen erfolgen.
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2 zeigt
nun in einer schematischen, axialen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
eines Gesenks zum Formstauchen des Vorformkörpers 1 zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Gesenk 5 weist eine Matrize 6 auf, welche der äußeren
Formgebung des herzustellenden Hohlkörpers entspricht.
Im Gesenk 5 der 2 ist der Vorformkörper 1 bereits
eingelegt und der Formdorn 7 in den Vorformkörper 1 eingeführt.
Der Formdorn 7 kann zusätzlich, nicht dargestellte
Mittel zur Einbringung von Funktions- und/oder Nebenformelementen in den
Hohlkörper aufweisen. Weitere nicht dargestellte Mittel
zur Einbringung von Funktionselementen können auch im Gesenk 5,
aber auch im Formdorn 7 vorgesehen sein. Der Formdorn 7 wird
nun in Pfeilrichtung axial verschoben, so dass der Übergangsbereich 4 des
Vorformkörpers 1 in den Formübergang 8 des
Hohlkörpers gestaucht wird. Hierdurch wird erreicht, dass
die Blechdickenänderung, trotz der Erzeugung des radial
verlaufenden Formübergangs 8 moderat bleibt und
insofern ein verbesserter Hohlkörper mit radialem Formübergang 8 zur Verfügung
gestellt werden kann, 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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