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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 aus der
DE 198 27 798 A1 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,
so dass 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 Materialguten
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.