DE102016122726A1

DE102016122726A1 - Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers, Vorrichtung und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102016122726A1
Application number: DE102016122726.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Trapp
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zu Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2) mit einem metallischen Verstärkungselement (3). An lokal begrenzten Verbindungsstellen (6) weist die Anordnung (1) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper (2) und dem Verstärkungselement (3) auf. Dabei ist das Material des Hohlkörpers (2) und des Verstärkungselements (3) radial nach innen verlagert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2), wobei das Material des Hohlkörpers (2) und eines Verstärkungselements (3) radial nach innen verlagert wird, so dass an Verbindungsstellen (6) eine formschlüssige Verbindung entsteht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2) mit einem Oberwerkzeug (10) und einem Unterwerkzeug (11), wobei durch in der Vorrichtung angeordnete Stempel (14) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper (2) und dem Verstärkungselement (3) entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeugbauteil mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Insbesondere im Bereich des Automobilbaus sind lokal verstärkte Bauteile üblich, um beispielsweise Crash-Anforderungen einzuhalten und die gezielte Verformung der Bauteile bei einem Unfall einzustellen. Aber auch die Stabilität hochbelasteter Bauteile im Fahrbetrieb erfordert Verstärkungen, um die Langlebigkeit und Dauerhaltbarkeit der Bauteile sicher zu stellen. Hohlkörper oder Hohlprofile können dadurch verstärkt werden, dass innerhalb der Profile Verstärkungselemente angeordnet werden. Diese Verstärkungselemente können ihrerseits wieder hohle Elemente oder Profile sein, die in die Hohlkörper eingeschoben werden. Bedingt durch die Fertigungstoleranzen der Hohlkörper und Verstärkungselemente besteht aber das Problem das die Einzelteile häufig nicht vollflächig in Anlage zueinander sind und dadurch im Fahrbetrieb störende Vibrationen und Geräusche auftreten.
Gelöst werden kann das Problem dadurch, dass Präzisonsrohre oder Präzisonsprofile verwendet werden. Diese sind jedoch in der Herstellung sehr teuer, was zu unakzeptablen Preisen für die fertigen Bauteile führt.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass Verstärkungselemente durch Lochschweißen in dem Hohlkörper fixiert werden. Dazu sind zusätzliche Arbeitsschritte wie das Lochen und Schweißen notwendig, was zu erhöhtem Aufwand und zusätzlichen Kosten führt. Außerdem kann die Spaltbreite zwischen Hohlkörper und Verstärkungselement bedingt durch die Fertigungstoleranzen zu groß sein, dass eine schweißtechnische Verbindung nicht mehr prozesssicher möglich ist.
Es ist also die Aufgabe der Erfindung eine einfach herzustellende und kostengünstige Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers bereit zu stellen, die von Fertigungstoleranzen weitgehend unabhängig ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, besondere Ausgestaltungen sind Gegenstand der anhängigen Ansprüche 2 bis 6. Ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeugbauteil ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch die in einfacher und kostengünstiger Weise eine Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers unabhängig von Fertigungstoleranzen hergestellt werden kann. Die verfahrensmäßige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 9 bis 12. Die vorrichtungsmäßige Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung Gegenstand der Ansprüche 14 bis 23 sind.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers, wobei ein hohles metallisches Verstärkungselement mit zwei Endbereichen und einem diese verbindenden Mittenbereich unverschieblich in dem metallischen Hohlkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in zumindest einem Verbindungsabschnitt an lokal begrenzten Verbindungsstellen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper und dem Verstärkungselement aufweist, wobei an den Verbindungsstellen das Material des Hohlkörpers und des Verstärkungselements radial nach innen verlagert ist.
Bei dem Hohlkörper und dem Verstärkungselement handelt es sich um metallische Hohlprofile mit grundsätzlich beliebigem Querschnitt. Der Querschnitt kann beispielsweise kreisrund, elliptisch oder auch mehreckig ausgestaltet sein. Das Verstärkungselement ist auch abseits der Verbindungsstellen zumindest bereichsweise in Anlage mit dem Hohlkörper. Auf Grund der Verlagerung des Materials von Hohlkörper und Verstärkungselement kann es lokal zu einer Bildung von Spalten zwischen den beiden Teilen kommen.
Im einfachsten Fall werden Hohlkörper und Verstärkungselement ineinander angeordnet und dann durch Krafteinwirkung von außen die Wände der Profile lokal gleichzeitig nach innen verlagert. Dadurch entsteht lokal begrenzt ein Hinterschnitt, der zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Teilen führt. Dieser Formschluss wird lediglich an einzelnen Verbindungsstellen erzeugt, so dass dieser sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung der einzelnen Teile wirkt und die Unverschieblichkeit der Teile zueinander sicherstellt. Die Verbindungsstellen können dabei beispielsweise rund oder in Form von länglichen Ovalen hergestellt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine prägetechnische Erzeugung der Verbindungsstellen.
Vorteilhafterweise kann die Erzeugung der Verbindungsstellen in bereits bestehende Fertigungsverfahren integriert werden. Beispielsweise kann ein sowieso vorgesehener Umformschritt für einen zu fertigenden Hohlkörper für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung ergänzt werden. Zumeist können die dafür notwendigen Werkzeuge einfach umgerüstet werden. Zusätzliche Arbeitsschritte oder Investitionen wie beim Lochschweißen fallen nicht an. Zudem können bei der Fertigung von Hohlkörper und Verstärkungselement größere Toleranzen akzeptiert werden, da ein effektiver Formschluss lediglich davon abhängig ist, dass an den Verbindungsstellen genügend Material zu Verfügung steht um einen entsprechend großen Spalt zwischen den Teilen beim Erzeugen der Verbindungsstellen zu überbrücken.
Das Material von Hohlkörper und Verbindungselement ist radial nach innen verlagert, um den Formschluss herzustellen. Das bedeutet, dass das Material durch eine von außen wirkende Kraft in den Innenraum des Hohlkörpers verlagert wird. Dies ist aber nicht auf eine Verlagerung in Richtung des Radius eines kreisförmigen Querschnittes beschränkt, sondern schließt jegliche Verlagerung des Materials in den Innenraum eines Hohlkörpers mit beliebigem Querschnitt ein.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann sowohl bei kalt- als auch warmgeformten Hohlkörpern eingesetzt werden. Bei Bedarf können auch beschichtete Materialien zum Einsatz kommen.
Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Anordnung nur einen Verbindungsabschnitt aufweisen, in dem die Verbindungsstellen angeordnet sind. Dies kann insbesondere bei kleineren Verstärkungselementen ausreichend sein.
Bevorzugt ist in beiden Endbereichen des Verstärkungselements jeweils ein Verbindungsabschnitt angeordnet. Dies führt zu einer besonders stabilen und unverschieblichen Anordnung der einzelnen Komponenten und verhindert verlässlich eine Vibrationen erzeugende Relativbewegung zwischen Hohlkörper und Verstärkungselement.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass in einem Verbindungsabschnitt zumindest drei Verbindungsstellen angeordnet sind. So kann auch bei großen Toleranzen eine ausreichend starke formschlüssige Verbindung erzeugt werden.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungsstellen in Umfangsrichtung des Hohlkörpers, bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt, angeordnet. Durch die Anordnung der Verbindungsstellen in Umfangsrichtung wird die rotatorische Unverschieblichkeit der Einzelteile sichergestellt. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Verbindungsstellen wird das Material von allen Seiten nach Innen verlagert, wodurch jeweils kleinere toleranzbedingte Spalte zu überbrücken sind, als bei einer Anordnung der Verbindungsstellen in einem begrenzten Umfangsbereich.
Insbesondere können die Verbindungsstellen in axialer Richtung versetzt in Umfangsrichtung des Hohlkörpers angeordnet sein.
Weiterhin bevorzugt sind die Verbindungsstellen in einem Bereich bis 100 Millimeter, bevorzugt 10 bis 50 Millimeter, besonders bevorzugt 15 bis 30 Millimeter beabstandet vom jeweiligen Ende des Verstärkungselements angeordnet. Ein größerer Abstand ist eher als nachteilig zu beurteilen, da dann die freien Enden des Verstärkungselementes frei schwingend wiederum störende Vibrationen und Geräusche erzeugen können. Der maximal mögliche Abstand der Verbindungsstellen zum Ende des Verstärkungselements hängt aber auch von dem verwendeten Material und der Wanddicke des Verstärkungselements ab, da diese Parameter ebenfalls das Schwingverhalten der freien Enden des Verstärkungselements beeinflussen.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung bestehen das Verbindungselement und der Hohlkörper aus unterschiedlichen metallischen Materialien oder Legierungen. Dadurch ist es möglich, für den jeweiligen Anwendungsfall und die Bestimmung des Hohlkörpers die passende Materialkombination auszuwählen und zudem Leichtbaugedanken Rechnung zu tragen. So können etwa Aluminium und Stahl oder auch hochfeste und weniger feste Stahllegierungen kombiniert werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers mit folgenden Schritten:

• Bereitstellen eines metallischen Hohlkörpers und eines hohlen metallischen Verstärkungselements
• Anordnen des Verstärkungselements in dem Hohlkörper
• Einlegen des Hohlkörpers in einen Formhohlraum eines Werkzeugs
• Verlagerung des Materials des Hohlkörpers und des Verstärkungselements radial nach innen an lokal begrenzten Verbindungsstellen in zumindest einem Verbindungsabschnitt, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper und dem Verstärkungselement entsteht.

Bei diesem Verfahren kann ein Werkzeug zum Einsatz kommen, dass bereits in einer vorliegenden Fertigungslinie eines metallischen Hohlkörpers vorgesehen ist. Dieses Werkzeug kann zum Beispiel dazu vorgesehen sein, den metallischen Hohlkörper umzuformen, beispielsweise zu biegen, und in eine Endform zu bringen. Gleichzeitig oder alternativ kann in dem Werkzeug auch eine Loch- oder Schnittoperation durchgeführt werden. Ein solches Werkzeug ist sehr einfach umrüstbar, um das Verlagern des Materials des Hohlkörpers und des Verstärkungselements durchführen zu können.
Der metallische Hohlkörper und das metallische Verstärkungselement können sowohl kalt als auch im erwärmten Zustand bereitgestellt werden. Der erwärmte Zustand kann dabei Temperaturen bis jenseits der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen verwendeten Materials umfassen, so dass gegebenenfalls auch ein Warmumformen und/oder Presshärten erfolgen kann.
Dadurch dass das Material lediglich durch Druck von außen auf den Hohlkörper und des Verstärkungselement radial nach innen verlagert wird, wird auf sehr einfache Art und Weise eine Unverschieblichkeit des Verstärkungselements gegenüber dem Hohlkörper sicher gestellt. Durch das gleichzeitige Verlagern des Materials des Hohlkörpers und des Verstärkungselements entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper und dem Verstärkungselement. Diese formschlüssige Verbindung liegt nur an lokal begrenzten Verbindungsstellen vor und ist nicht etwa in Umfangsrichtung des Hohlkörpers umlaufend gestaltet.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass nicht nur eine Unverschieblichkeit in Längsrichtung des Hohlkörpers vorliegt, sondern auch dass in Umfangsrichtung eine Unverschieblichkeit gegenüber Drehbewegungen erzeugt wird.
Eine Verlagerung des Materials radial nach innen bedeutet hier insbesondere, dass das Material in Richtung einer Längsachse des Hohlkörpers senkrecht zur Umfangsrichtung verlagert wird.
Die rein mechanische Verlagerung, die noch dazu in vorliegende Umformwerkzeuge integriert werden kann, ist bedeutend günstiger zu realisieren als beispielweise ein Lochschweißen, wo zusätzliche Verfahrensschritte wie das Lochen und Schweißen vorgesehen sind. Gleichzeitig ist es möglich, hier toleranzbedingte Spalte zwischen Hohlkörper und Verstärkungselement zu überbrücken und dennoch eine Unverschieblichkeit der Komponenten gegeneinander sicher zu stellen, wo hingegen bei einer Schweißung bei einem zu großen Luftspalt keine saubere Verbindung mehr hergestellt werden kann.
Das Verstärkungselement ist beim Einlegen und auch nach dem Verlagern des Materials von Hohlkörper und Verstärkungselement, zumindest bereichsweise mit seiner Außenoberfläche an der Innenoberfläche des Hohlkörpers in Anlage. Dies ermöglicht es, dass das Verstärkungselement nicht frei schwingen kann, so dass störende Vibrationen und Geräusche nicht entstehen können.
Um die Position des Verstärkungselements in dem Hohlkörper, zumindest bis zum Einlegen in das Werkzeug, sicher zu stellen, kann das Verstärkungselement in dem Hohlkörper nach dem ineinander Anordnen bis zum Einlegen in das Werkzeug gegebenenfalls auch positionssicher gehalten werden. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Vorrichtungen an einer Greifeinrichtung, die den Hohlkörper in das Werkzeug einlegt, erfolgen oder aber durch eine Press- oder Übergangspassung zwischen Hohlkörper und Verstärkungselement.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Material durch in dem Werkzeug angeordnete, radial in den Formhohlraum ragende oder verfahrbare Stempel verlagert. Dabei handelt es sich bevorzugt um Rundstempel mit einem Kugelkopf. Insbesondere sind die Stempel so gestaltet, dass sie aus einem zylinderförmigen Grundkörper bestehen, an den sich in Richtung des Formhohlraums ein im Wesentlichen halbkugeliger Kugelkopf anschließt. Diese Stempel können beispielsweise feststehend in dem Werkzeug angeordnet sein und ragen dann in den Formhohlraum, so dass das Material von Hohlkörper und Verstärkungselement beim Schließen des Werkzeugs verlagert wird. Die Stempel drücken dann vom Bauteil aus betrachtet von außen auf die vorgesehenen Verbindungsstellen und das Material der Komponenten wird von ihnen nach innen verdrängt, wodurch der vorgesehene Formschluss entsteht. Diese Stempel können auch austauschbar gestaltet sein, so dass unterschiedlichen Fertigungstoleranzen der Einzelkomponenten Rechnung getragen werden kann. Je nach Fertigungstoleranz der Komponenten können unterschiedlich große Maximalspalte zwischen den einzelnen Teilen entstehen. Dementsprechend ist es bei der Prägung notwendig, bei größeren möglichen Spalten mehr Material zu verlagern, die Prägung also tiefer zu machen, wo hingegen bei kleineren Maximalspalten eine kleinere Tiefe der Prägung erforderlich ist. Dem kann dadurch Rechnung getragen werden, dass unterschiedlich weit in den Formhohlraum ragende Stempel verwendet werden, die nach Bedarf ausgetauscht werden.
Es ist auch möglich die Stempel verfahrbar auszugestalten, so dass die Länge der Stempel die in den Formhohlraum ragt, auf diese Art und Weise variiert werden kann, um ebenfalls unterschiedlichen Maximaltoleranzen Rechnung zu tragen. Gleichzeitig bietet diese Möglichkeit die Option, die Verlagerung des Materials erst nach dem Schließen des Werkzeugs durchzuführen, in dem die Stempel sich zunächst in einer Ruhestellung befinden, in der sie nicht in den Formhohlraum ragen und nach dem Schließen des Werkzeugs in den Formhohlraum verfahren werden und auf diese Art und Weise das Material von Hohlkörper und Verstärkungselement verlagern. Die Verfahrbarkeit kann beispielswiese durch einen pneumatisch, elektrisch oder anderweitig angetriebenen Zylinder realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hohlkörper vor, während oder nach dem Verlagern des Materials umgeformt. In dieser Variante wird in dem Hohlkörper nicht lediglich das Verstärkungselement angeordnet, sondern er wird noch zusätzlich in eine vorgesehene Form gebracht. Der Zeitpunkt des Umformens hängt im Wesentlichen davon ab, wie die Endform des Hohlkörpers gestaltet ist. Ist die Position des Verstärkungselements in dem Hohlkörper auch nach dem Umformvorgang noch zugänglich, kann dieser Umformvorgang auch vor dem Anordnen des Verstärkungselements in dem Hohlkörper erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass der Hohlkörper noch keine lokal höheren, durch das Verstärkungselement bedingte Steifigkeiten besitzt und somit relativ leicht ungeformt werden kann. Nach dem Anordnen des Verstärkungselements in dem Hohlkörper kann die Umformung ggf. mehr Kraftaufwand erfordern. Allerdings ist es dann auch möglich ein Verstärkungselement in hinterschnittenen Bereichen anzuordnen. Die Umformung des Hohlkörpers während des Verlagerns des Materials bietet den Vorteil, dass beide Verfahrensschritte zur gleichen Zeit durchgeführt werden und die Anzahl der Werkzeuge reduziert werden kann.
Denn in dieser Weiterbildung der Erfindung werden das Umformen des Hohlkörpers und das Verlagern des Materials in demselben Werkzeug durchgeführt. Dieses Umformen kann dann ebenfalls vor während oder nach dem Verlagern des Materials geschehen. Insbesondere mit Hilfe von verfahrbaren Stempeln kann der Hohlkörper in dem Werkzeug zunächst umgeformt werden und dann durch das Einfahren des Stempels in den Formhohlraum das Material von Hohlkörper und Verstärkungselement verlagert werden. Diese beiden Schritte sind auch in umgekehrter Reihenfolge durchführbar, ebenso kann bei feststehenden Stempeln das Umformen des Hohlkörpers und das Verlagern des Materials beim Schließen des Werkzeugs durchgeführt werden. Schließlich kann nach dem Einlegen des Hohlkörpers mit dem Verstärkungselement in das Werkzeug zunächst das Material der Komponenten verlagert werden und dann durch noch weitere möglicherweise bewegliche Elemente des Werkzeuges der Hohlkörper in seine Endform umgeformt werden.
Insbesondere handelt es sich bei dem Werkzeug um eine Vorrichtung wie nachstehend beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Anordnung zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug und einem zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug angeordneten Formhohlraum, wobei die Innenkontur des Formhohlraums der Außenkontur des Hohlkörpers entspricht, mit einer Mehrzahl von Stempeln zum Verlagern des Materials des Hohlkörpers und eines in dem Hohlkörper angeordneten Verstärkungselements. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann auf einfache Weise ein Formschluss zwischen Hohlkörper und Verstärkungselement hergestellt werden, in dem durch die Stempel das Material von Hohlkörper und Verstärkungselement gleichzeitig radial nach innen verlagert wird. Im Rahmen der Erfindung dient die Vorrichtung mit ihren Stempeln in erster Linie zum Herstellen des Formschlusses zwischen den beiden Komponenten. Wird keine weitere Umformung an dem Hohlkörper durchgeführt, dann bleibt die Außenkontur des Hohlkörpers mit Ausnahme der Verbindungsstellen während des gesamten Vorgangs gleich, wobei die Innenkontur des Formhohlraums der ursprünglichen Außenkontur des Hohlkörpers entspricht.
Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung gleichzeitig zum Umformen des Hohlkörpers geeignet ist, wobei dann die Innenkontur des Formhohlraums der Außenkontur des umgeformten Hohlkörpers entspricht. Diese Ausführungsform bietet insbesondere den Vorteil, dass das Verlagern des Materials von Hohlkörper und Verstärkungselement simultan zu einem Umformvorgang des Hohlkörpers durchgeführt werden kann und somit Werkzeugkosten eingespart werden können und die Herstellung eines metallischen Hohlkörpers kostengünstiger durchgeführt werden kann.
Im Gegensatz zu einer Anlage beispielsweise für das Lochschweißen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bedeutend einfacher gestaltet und ggf. in ein bereits vorhandenes Werkzeug integriert werden. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet, dass die Stempel in Stempelbereichen des Formhohlraums angeordnet sind, wobei die Stempelbereiche so in dem Formhohlraum angeordnet sind, dass die Endbereiche des Verstärkungselements zuordenbar sind. Die Stempel sind in Formhohlraum grundsätzlich so angeordnet, dass eine simultane Verlagerung des Materials von Hohlkörper und Verstärkungselement möglich ist. Vorteilhafter Weise werden die Prägungen, die durch das Verlagern des Materials entstehen, an dem Hohlkörper und Verstärkungselement so angeordnet, dass das Verstärkungselement keine störende Vibrationen und Geräusche mehr erzeugen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Formschluss bzw. die Verbindungsstellen in den Endbereichen des Verstärkungselements erzeugt werden.
Vorteilhafterweise sind in jedem Stempelbereich zumindest drei Stempel angeordnet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass bei den Materialverlagerungen eine sichere, unverschiebliche Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten entsteht. Durch die Mehrzahl der Stempel wird sichergestellt, dass durch die daraus entstehenden Verbindungsstellen ausreichend Material verlagert wird, um auch größere Spaltmaße prozesssicher zu überbrücken.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stempel in Umfangsrichtung des Formhohlraums bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Das bedeutet, dass beim Erzeugen der Materialverlagerungen diese in Umfangsrichtung des Hohlkörpers und bevorzugt gleichmäßig über diesen Umfang verteilt entstehen, dadurch wird auch eine Unverschieblichkeit in Umfangsrichtung gegenüber Drehbewegungen sichergestellt.
Insbesondere können die Stempel auch in axialer Richtung versetzt in Umfangsrichtung des Formhohlraums angeordnet sein.
In vorteilhafter Weise weisen die Stempel einen Kugelkopf mit einem Durchmesser von 5 bis 30 mm, bevorzugt 8 bis 5 mm, besonders bevorzugt 10 mm auf. Der Durchmesser des Kugelkopfs definiert auch unmittelbar die Größe der Verbindungsstelle und auch damit die Menge an Material, die verlagert wird. Die Größe der Verbindungsstellen ist dabei von verschiedenen Parametern abhängig, wie beispielsweise der Wanddicke von Hohlkörper und Verstärkungselement, dem verwendeten Material für die beiden Komponenten und auch der Größe des Verbindungselements selbst. Auch das maximal mögliche Spaltmaß spielt hier eine Rolle.
Ebenso ist vorgesehen, dass die Stempel eine Länge gemessen von der Innenoberfläche des Oberwerkzeugs bzw. Unterwerkzeugs aufweisen, die an die Toleranzmaße von Hohlkörper und Verstärkungselement angepasst ist. Besonders bevorzugt weisen die Stempel eine Länge von 1 bis 10 mm, bevorzugt 3 bis 5 mm, gemessen von der Innenoberfläche des Oberwerkzeugs bzw. Unterwerkzeugs auf.
Die Wirksamkeit des Formschlusses beruht im Wesentlichen darauf, dass die Verbindungsstellen, die bei der Verlagerung des Materials von Hohlkörper und Verstärkungselement entstehen, tief genug sind, so dass auch wirklich eine Unverschieblichkeit zwischen den Komponenten sichergestellt ist. Ist die Tiefe der Prägestellen zu gering, so dass die maximale Spaltbreite, die durch die Fertigungstoleranzen bedingt ist, nicht überbrückt werden kann, entsteht kein wirkungsvoller Formschluss und die Unverschieblichkeit zwischen den Komponenten ist nicht mehr gewährleistet. Folglich ist bei den Stempeln eine Länge zu wählen, die an die Toleranzmaße von Hohlkörper und Verstärkungselement und damit die maximal mögliche Spaltbreite zwischen diesen Bauteilen angepasst ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Stempel in einen betriebsbereiten Zustand feststehend in den Formhohlraum ragen, so dass das Verlagern des Materials beim Schließen des Werkzeugs erfolgt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es insbesondere möglich, dass das Verlagern des Materials simultan mit einem Umformen des Hohlkörpers erfolgen kann.
Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stempel austauschbar oder längsverschieblich ausgestaltet sind, so dass unterschiedliche Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden können oder verschleißabhängig der Stempel gewechselt oder nachjustiert werden kann. Wir bereits vorstehend geschildert ist es je nach Fertigungstoleranzen notwendig, dass die Stempel unterschiedliche Längen aufweisen, um unterschiedliche Chargen von Profilen mit unterschiedlichen Fertigungstoleranzen in ein und demselben Werkzeug verarbeiten zu können, sind die Stempel austauschbar gestaltet, so dass je nach Toleranzmaßen unterschiedliche Stempelsätze schnell und unkompliziert eingesetzt werden können oder die Stempel sind längsverschieblich ausgestaltet, so dass die Länge der Stempel automatisiert und kontinuierlich eingestellt werden kann. Erforderlich ist dann wieder ein Antrieb, der beispielsweise hydraulisch oder auch elektrisch oder auf andere Weise den Stempel in den Formhohlraum verfährt.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Stempel in den Formhohlraum verfahrbar ausgestaltet sind, so dass das Verlagern des Materials nach dem Schließen des Werkzeugs erfolgt. In dieser Variante ist der Stempel ebenfalls prismatisch oder elektrisch oder in anderer Weise angetrieben und wird in den Formhohlraum verfahren. Dies erfolgt aber erst nach dem das Werkzeug geschlossen ist und ggf. ein Umformschritt für den Hohlkörper erfolgt ist. So kann beispielsweise auch das Verstärkungselement selbst zunächst mit umgeformt werden und dann mit Hilfe der Stempel über einen Formschluss unterschiedlich mit dem Hohlkörper verbunden werden. Die Stempel werden dann bis zu einer bestimmten vorgesehenen Länge gemessen von der Innenoberfläche des Oberwerkzeugs bzw. Unterwerkzeugs in den Formhohlraum verfahren. Diese Länge hängt wie oben beschrieben davon ab, wie tief die Prägungen der Materialverlagerungen ausgestaltet sein sollen und damit von äußeren Materialparametern ab.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung finden sich auch in den nachfolgenden Figuren. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleiche oder ähnliche Komponenten und Merkmale. Es zeigen

1a und b eine erste erfindungsgemäße Anordnung,
2 eine zweite erfindungsgemäße Anordnung,
3a bis c die Herstellung einer Anordnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4a und b Ober- und Unterwerkzeug einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

In 1a wird eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers 2 in Form einer A-Säule für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der Hohlkörper 2 verfügt über ein metallisches Verstärkungselement 3 an einer crash-sensiblen Stelle des Bauteils. In den Endbereichen des Verstärkungselements 3 befinden sich Verbindungsabschnitte 4,5, in deren Bereich der Hohlkörper 2 und das Verstärkungselement 3 an lokal begrenzten Verbindungsstellen 6 formschlüssig verbunden werden. Wie die Schnittdarstellung in 1b zeigt, wird zur Herstellung des Formschlusses an den Verbindungsstellen 6 das Material von Hohlkörper 2 und Verstärkungselement 3 lokal radial entlang einer radialen Richtung r1, r2, r3 in den Innenraum Ri des Hohlkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 verlagert.
Die drei Verbindungsstellen 6 sind dabei gleichmäßig über den Umfang des Hohlkörpers 2 verteilt angeordnet, der in seiner Ausgangsgestalt einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 zeigt 2. Hier ist ein hohles metallisches Verstärkungselement 3 mit kreisrundem Querschnitt in einem metallischen Hohlkörper 2 mit ebenfalls kreisrundem Querschnitt angeordnet. Das Verstärkungselement 3 umfasst einen ersten Endbereich 7 und einen zweiten Endbereich 8, die durch einen Mittenbereich 9 verbunden sind. Die beiden Komponenten sind durch einen Formschluss unverschieblich zueinander angeordnet.
Die formschlüssige Verbindung wird erzeugt indem das Material des Hohlkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 radial nach innen verlagert werden. Diese lokalen Verbindungsstellen 6 befinden sich in Bereich eines ersten Verbindungsabschnitts 4 und eines zweiten Verbindungsabschnitts 5. Diese Verbindungsabschnitte 4,5 sind jeweils in dem ersten Endbereich 7 und dem zweiten Endbereich 8 angeordnet. Die Verbindungsstellen 6 befinden sich bis zu 100 Millimetern von den jeweiligen Enden des Verstärkungselements 3 entfernt und sind gleichmäßig über den Umfang des Hohlkörpers 2 verteilt angeordnet. Diese Anordnung führt zu einer besonders stabilen und sowohl axial als auch rotatorisch unverschieblichen Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander, wobei ein freies Schwingen der freien Enden des Verstärkungselementes 3 verhindert wird. Dadurch wird das Entstehen von störenden Vibrationen und Geräuschen effektiv unterdrückt.
Die Herstellung einer Anordnung 1 zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers 2 wird in den 3a bis 3c erläutert. Die Figuren zeigen nacheinander eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 zu drei Zeitpunkten des Herstellungsprozesses. Es handelt sich dabei um eine Querschnittsdarstellung analog zu der Querschnittsdarstellung in 1b.
In 3a ist ein metallischer Hohlkörper 2 mit einem darin angeordneten Verstärkungselement 3 in dem Formhohlraum 12 eines Werkzeugs gezeigt. Das Werkzeug umfasst ein Oberwerkzeug 10 und ein Unterwerkzeug 11 mit dem dazwischen angeordneten Formhohlraum 12. Die Innenkontur 13 des Formhohlraums 12 entspricht im Wesentlichen der Außenkontur 16 des Hohlkörpers 2. Davon ausgenommen ist eine Mehrzahl von Stempeln 14, die in den Formhohlraum 12 ragen. In dieser Ausgestaltung der Erfindung sind drei Stempel 14 gleichmäßig in Umfangsrichtung des Formhohlraums 12 verteilt und verfügen jeweils über einen Kugelkopf 15, der mit der Oberfläche des Hohlprofils 2 bei der Verlagerung des Materials von Hohlprofil 2 und Verstärkungselement 3 in Anlage kommt. Die Stempel 14 sind hier feststehend ausgestaltet.
Oberwerkzeug 10 und Unterwerkzeug 11 sind in 3a noch geöffnet. Beim Schließvorgang kommen die Stempel 14 mit der Oberfläche des Hohlprofils 2 in Anlage und verlagern das Material von Hohlprofil 2 und Verstärkungselement 3 in einem Prägevorgang radial nach innen. Auf diese Weise werden die Verbindungsstellen 6 ausgebildet, an denen eine formschlüssige Verbindung zwischen Hohlkörper 2 und Verstärkungselement 3 entsteht. Dieser Vorgang wird in 3b gezeigt, wobei sich das Werkzeug in einem halb geschlossenen Zustand befindet. Es ist bereits Material von Hohlprofil 2 und Verstärkungselement 3 in den Innenraum Ri des Hohlkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 verlagert, die Prägung ist jedoch noch nicht vollständig abgeschlossen.
3c zeigt Oberwerkzeug 10 und Unterwerkzeug 11 in geschlossenem Zustand, wobei die Prägung zur Herstellung des Formschlusses vollendet ist. Die Verbindungsstellen 6, an denen der Formschluss vorliegt, sind vollständig ausgebildet. Abseits der Verbindungsstellen 6 ist die Innenoberfläche des Formhohlraums 12 mit der Außenoberfläche des Hohlkörpers 2 in Anlage, so dass die Außenkontur 16 des Hohlkörpers 2 nach dem Schließen des Werkzeugs durch die Innenkontur 13 des Formhohlraums 12 vorgegeben ist. In der Querschnittsdarstellung der 3c, die einen Schnitt durch Werkzeug und Anordnung 1 im Bereich der Verbindungsstellen 6 zeigt, ist bedingt durch die dort stattfindende Verformung des Materials eine vollflächige Anlage der Innenoberfläche des Formhohlraums 12 mit der Außenoberfläche des Hohlkörpers 2 nicht in jedem Punkt gegeben.
Wie 4a und 4b in einer perspektivischen Darstellung der Werkzeugteile deutlich machen, sind die Stempel 14 in Stempelbereichen 17,18 des Formhohlraums 12 von Oberwerkzeug 10 und Unterwerkzeug 11 angeordnet. Dabei sind die Stempelbereiche 17,18 so in dem Formhohlraum 12 angeordnet, dass ein erster Stempelbereich 17 einem ersten Endbereich 7 des Verstärkungselements 3 zugeordnet ist und ein zweiter Stempelbereich 18 einem zweiten Endbereich des Verstärkungselements 3 zugeordnet ist.
Oberwerkzeug 10 und Unterwerkzeug 11 sind hier so gestaltet, dass die Innenkontur 13 des zwischen Oberwerkzeug 10 und Unterwerkzeug 11 ausgebildeten Formhohlraums 12 der Endgestalt der erfindungsgemäßen Anordnung 1 entspricht. Dabei ist es sowohl möglich, dass die Ausbildung der Verbindungsstellen 6 simultan mit dem Umformen des Hohlkörpers 2 erfolgt. Das Umformen des Hohlkörpers 2 und das Verlagern des Materials zur Ausbildung der Verbindungsstellen 6 werden dann in demselben Werkzeug durchgeführt.
Alternativ kann es aber auch der Fall sein, dass der Hohlkörper 2 bereits zuvor zusammen mit dem oder ohne das Verstärkungselement 3 in seine Endform gebracht worden ist. Bei dieser Vorgehensweise werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich noch die Verbindungsstellen 6 erzeugt.
Bezugszeichenliste

1 -: Anordnung
2 -: Hohlkörper
3 -: Verstärkungselement
4 -: erster Verbindungsabschnitt
5 -: zweiter Verbindungsabschnitt
6 -: Verbindungsstelle
7 -: erster Endbereich
8 -: zweiter Endbereich
9 -: Mittenbereich
10-: Oberwerkzeug
11 -: Unterwerkzeug
12-: Formhohlraum
13-: Innenkontur
14-: Stempel
15 -: Kugelkopf
16 -: Außenkontur von 2
17 -: erster Stempelbereich
18 -: zweiter Stempelbereich
Ri -: Innenraum von 2 und 3
r1 -: radiale Richtung
r2 -: radiale Richtung
r3 -: radiale Richtung

Claims

Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2), wobei ein hohles metallisches Verstärkungselement (3) mit zwei Endbereichen (7, 8) und einem diese verbindenden Mittenbereich (9) unverschieblich in dem metallischen Hohlkörper (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) in zumindest einem Verbindungsabschnitt (4, 5) an lokal begrenzten Verbindungsstellen (6) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper (2) und dem Verstärkungselement (3) aufweist, wobei an den Verbindungsstellen (6) das Material des Hohlkörpers (2) und des Verstärkungselements (3) radial nach innen verlagert ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Endbereichen (7, 8) des Verstärkungselements (3) jeweils ein Verbindungsabschnitt (4, 5) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verbindungsabschnitt (4, 5) zumindest drei Verbindungsstellen (6) angeordnet sind.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (6) in Umfangsrichtung des Hohlkörpers (2), bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt, angeordnet sind.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (6) in einem Bereich bis 100 Millimeter, bevorzugt 10 bis 50 Millimeter, besonders bevorzugt 15 bis 30 Millimeter beabstandet vom jeweiligen Ende des Verstärkungselements (3) angeordnet sind.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement und der Hohlkörper (2) aus unterschiedlichen metallischen Materialien oder Legierungen bestehen.
Kraftfahrzeugbauteil mit einer Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2) mit folgenden Schritten: • Bereitstellen eines metallischen Hohlkörpers (2) und eines hohlen metallischen Verstärkungselements (3) • Anordnen des Verstärkungselements (3) in dem Hohlkörper (2) • Einlegen des Hohlkörpers (2) in einen Formhohlraum (12) eines Werkzeugs • Verlagerung des Materials des Hohlkörpers (2) und des Verstärkungselements (3) radial nach innen an lokal begrenzten Verbindungsstellen (6) in zumindest einem Verbindungsabschnitt (4, 5), so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlkörper (2) und dem Verstärkungselement (3) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material durch in dem Werkzeug radial in den Formhohlraum (12) ragende oder verfahrbare Stempel (14) verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2) vor, während oder nach dem Verlagern des Materials umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Hohlkörpers (2) und das Verlagern des Materials in demselben Werkzeug durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Werkzeug um eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23 handelt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Anordnung (1) zur Verstärkung eines metallischen Hohlkörpers (2) mit einem Oberwerkzeug (10) und einem Unterwerkzeug (11) und einem zwischen Oberwerkzeug (10) und Unterwerkzeug (11) angeordneten Formhohlraum (12), wobei die Innenkontur (13) des Formhohlraums (12) der Außenkontur (16) des Hohlkörpers (2) entspricht, mit einer Mehrzahl von Stempeln (14), zum Verlagern des Materials des Hohlkörpers (2) und eines in dem Hohlkörper (2) angeordneten Verstärkungselements (3).
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie gleichzeitig zum Umformen des Hohlkörpers (2) geeignet ist und die Innenkontur (13) des Formhohlraums (12) der Außenkontur (16) des umgeformten Hohlkörpers (2) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) in Stempelbereichen (17, 18) des Formhohlraums (12) angeordnet sind, wobei die Stempelbereiche (17, 18) so in dem Formhohlraum (12) angeordnet sind, dass sie Endbereichen (7, 8) des Verstärkungselements (3) zuordenbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Stempelbereich (17, 18) zumindest drei Stempel (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) in Umfangsrichtung des Formhohlraums (12), bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) einen Kugelkopf (15) mit einem Durchmesser von 5 bis 30 Millimetern, bevorzugt 8 bis 15 Millimetern, besonders bevorzugt 10 Millimetern aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) eine Länge gemessen von der Innenoberfläche des Oberwerkzeugs (10) bzw. Unterwerkzeugs (11) aufweisen, die an die Toleranzmaße von Hohlkörper (2) und Verstärkungselement (3) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) eine Länge von 1 bis 10 Millimeter, bevorzugt 3 bis 5 Millimeter gemessen von der Innenoberfläche des Oberwerkzeugs (10) bzw. Unterwerkzeugs (11) aufweisen
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) in einem betriebsbereiten Zustand feststehend in den Formhohlraum (12) ragen, so dass das Verlagern des Materials beim Schließen des Werkzeugs erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) austauschbar oder längsverschieblich ausgestaltet sind, so dass unterschiedliche Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (14) in den Formhohlraum (12) verfahrbar ausgestaltet sind, so dass das Verlagern des Materials nach dem Schließen des Werkzeugs erfolgt.