DE102018123316A1

DE102018123316A1 - Rohrelement für Gasdruckbehälter, Gasdruckbehälter und Verfahren zur Herstellung eines Rohrelementes

Info

Publication number: DE102018123316A1
Application number: DE102018123316.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Lücke; Michael Markert; Dirk Tegethoff; Marcel Wellpott
Original assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-09-22
Also published as: DE102018123316B4; CN110939794B; US20200094773A1; US11873944B2; CN110939794A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls, insbesondere eines Fahrzeuges, wobei das Rohrelement (1) aus hochfestem Stahl besteht, ein erstes und ein zweites Ende (17, 18) aufweist und von dem ersten Ende (17) zu dem zweiten Ende (18) das Rohrelement (1) einen unverformten Abschnitt (11), einen Übergangsabschnitt (12) und einen Verjüngungsabschnitt (13) aufweist und an dem Verjüngungsabschnitt (13) zumindest ein radial nach außen ragender Vorsprung (14) ausgebildet ist. Das Rohrelement (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (14) von dem Übergangsabschnitt (12) durch einen ersten Längenabschnitt (130) mit einem Außendurchmesser (A1), der geringer als der Außendurchmesser (A2) des Vorsprungs (14) ist, getrennt ist und die Wandstärke des Vorsprungs (14) größer ist als die Wandstärke des ersten Längenabschnittes (130). Weiterhin betrifft die Erfindung einen Gasdruckbehälter und ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Rohrelementes (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter, insbesondere für ein Airbagmodul, auf einen Gasdruckbehälter sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rohrelementes.
In einem System, das mit hohem Druck beaufschlagt wird, wie beispielsweise einem Airbagsystem eines Kraftfahrzeuges, ist es erforderlich Rohrelemente zu verwenden, die diesem Druck standhalten können. In Airbagsystemen beziehungsweise Airbagmodulen müssen beispielsweise Gasdruckbehälter verwendet werden, die beispielsweise das Gehäuse des Gasgenerators und/oder die Reaktionskammer bilden. Insbesondere diese Gasdruckbehälter und das Rohrelement, das den Gasgenerator maßgeblich bildet, müssen einer hohen Innendruckbeanspruchung standhalten können.
Aus diesem Grund ist es bekannt, hochfeste Werkstoffe für Rohrelemente für Gasdruckbehälter zu verwenden. Zugleich muss das Rohrelement aber Geometrien aufweisen, die beispielsweise den An- oder Einbau weiterer Bauteile erlauben. Beispielsweise können dazu die Rohrelemente Vertiefungen am Rohrumfang aufweisen. Allerdings ist es für den sicheren Betrieb des Gasdruckbehälters erforderlich, dass dieser trotz der eingebrachten Geometrie nicht versagt. Zum Einbringen solcher Geometrien am Rohrende werden die Rohrelemente in der Regel durch Warm-Rollieren behandelt. Diese Art der Umformung weist aber die Nachteile auf, dass zum einen eine lange Taktzeit erforderlich ist und zum anderen, dass das Warm-Rollieren bei hohen Temperaturen erfolgen muss, was während des Umformprozesses zu einer Verzunderung der Oberfläche führt.
Ein allgemeines Umformverfahren zur Umformung eines Hohlformteils ist beispielsweise in der EP 1 702 695 B1 offenbart. In der Druckschrift wird ein Verfahren beschrieben, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt in einem Umformbereich mittels einer plastischen Materialumformung, insbesondere mittels Warm und/oder Halbwarmumformverfahren eine Wandverdickung erzeugt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt in dem Umformbereich mittels plastischer Materialumformung ein Übergang geformt wird, durch den ein erster Abschnitt mit einer größeren Quererstreckung sowie ein zweiter Abschnitt mit einer kleineren Quererstreckung gebildet wird. In dem ersten Verfahrensschritt wird das Hohlformteil so gestaucht, dass im Umformbereich eine Wandverdickung mit einer sowohl nach außen als auch nach innen vergrößerten Wandung des Hohlformteils ergibt.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass der Übergang in dem Bereich, der zuvor mit einer Wandverdickung ausgebildet wurde, geformt werden muss. Insbesondere bei einem Material hoher Festigkeit muss dieser Verfahrensschritt daher bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, wodurch erneut die Gefahr des Verzunderns der Oberfläche auftritt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Lösung zu schaffen, mit der die erforderlichen Geometrien an einem Rohrelement mit hoher Festigkeit auf einfache Weise ausgebildet werden können.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem die Umformung in geeignete Verfahrensschritte unterteilt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls, insbesondere eines Fahrzeuges, wobei das Rohrelement aus hochfestem Stahl besteht, ein erstes und ein zweites Ende aufweist und von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende das Rohrelement einen unverformten Abschnitt, einen Übergangsabschnitt und einen Verjüngungsabschnitt aufweist und an dem Verjüngungsabschnitt zumindest ein radial nach außen ragender Vorsprung ausgebildet ist. Das Rohrelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung von dem Übergangsabschnitt durch einen ersten Längenabschnitt mit einem Außendurchmesser, der geringer als der Außendurchmesser des Vorsprungs ist, getrennt ist und die Wandstärke des Vorsprungs größer ist als die Wandstärke des ersten Längenabschnittes.
Das Rohrelement stellt erfindungsgemäß ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls, insbesondere eines Fahrzeuges dar. Das Rohrelement kann daher auch als Airbagrohr bezeichnet werden. Insbesondere kann das Rohrelement in dem Airbagmodul als Gehäuse des Gasgenerators verwendet werden. Das Rohrelement besteht aus hochfestem Stahl. Als hochfester Stahl wird vorzugsweise ein Stahl bezeichnet, der eine Zugfestigkeit im Bereich von 800-1500 MPa, insbesondere 900-1200 MPa aufweist. Das Rohrelement weist ein erstes und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf. Von dem ersten Ende erstreckt sich in Längsrichtung des Rohrelementes ein unverformten Abschnitt. Als unverformter Anschnitt wird hierbei ein Abschnitt bezeichnet, in dem der Durchmesser und die Wandstärke des Rohrelementes im Wesentlichen dem Durchmesser und der Wandstärke des Rohres entsprechen, aus dem das Rohrelement gefertigt wird. Der Übergangsabschnitt schließt sich an den unverformten Abschnitt in Längsrichtung an. Als Übergangsabschnitt wird ein Längenabschnitt des Rohrelementes bezeichnet, in dem der Durchmesser von dem Außendurchmesser des Rohres, aus dem das Rohrelement hergestellt wird, auf den größten Außendurchmesser des Verjüngungsabschnittes, insbesondere eines ersten Längenabschnittes des Verjüngungsabschnittes abnimmt. Vorzugsweise nimmt auch der Innendurchmesser in dem Übergangsabschnitt ab. Die Abnahme des Außendurchmessers ist vorzugsweise eine stetige Abnahme und der Übergang von Übergangsabschnitt zu Verjüngungsabschnitt weist vorzugsweise einen Krümmungsradius auf. Auch die Abnahme des Innendurchmessers ist vorzugsweise über den größten Teil der Länge des Übergangsabschnittes stetig. Die Abnahme des Innendurchmessers kann allerdings vor dem Ende des Übergangsabschnittes, das heißt vor dem Ende der Abnahme des Außendurchmessers enden. Somit kann in dem Endbereich des Übergangsabschnittes, an den sich der erste Längenabschnitt des Verjüngungsabschnittes anschließt, der Innendurchmesser des Rohrelementes konstant sein, während der Außendurchmesser weiter abnimmt. Hierdurch kann im Inneren des Rohrelementes und insbesondere des Übergangsabschnittes ein Absatz gebildet werden.
An den Übergangsabschnitt schließt sich in Richtung auf das zweite Ende des Rohrelementes ein Verjüngungsabschnitt an. Als Verjüngungsabschnitt wird der Längenabschnitt bezeichnet, der zwischen dem Übergangsabschnitt und dem zweiten Ende des Rohrelementes liegt. In diesem Verjüngungsabschnitt ist der Innendurchmesser geringer als Innendurchmesser des unverformten Abschnittes und des Übergangsabschnittes. Der Innendurchmesser des Verjüngungsabschnittes kann über die Länge des Verjüngungsabschnittes gleichbleibend sein, sich verringern und/oder am zweiten Ende des Rohrelementes zunehmen.
An dem Verjüngungsabschnitt ist zumindest ein radial nach außen ragender Vorsprung ausgebildet. Der Vorsprung erstreckt sich über den gesamten Außenumfang des Rohrelementes.
Das Rohrelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung von dem Übergangsabschnitt durch einen ersten Längenabschnitt getrennt ist. Der erste Längenabschnitt ist ein Teil des Verjüngungsabschnittes und weist einen Außendurchmesser auf, der geringer als der Außendurchmesser des Vorsprungs ist. Die Wandstärke des Vorsprungs ist größer als die Wandstärke des ersten Längenabschnittes. Der Vorsprung kann auch als Hinterschnitt bezeichnet werden.
Indem das Rohrelement einen radial nach außen ragenden Vorsprung aufweist, der von dem Übergangsabschnitt durch einen ersten Längenabschnitt mit einem Außendurchmesser, der geringer als der Außendurchmesser des Vorsprungs ist, getrennt ist und die Wandstärke des Vorsprungs größer ist als die Wandstärke des ersten Längenabschnittes kann eine Reihe von Vorteilen erzielt werden. Zum einen kann durch die vergrößerte Wandstärke im Bereich des Vorsprungs ein Versagen des Rohrelementes auch in diesem Bereich verhindert werden, was insbesondere bei den hohen Drücken, die beispielsweise bei einem Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls, insbesondere eines Fahrzeuges, herrschen, bei geringerer Wandstärke im Bereich des Vorsprungs auftreten kann. Zudem ist, da der Vorsprung zu dem Übergangsabschnitt beabstandet ist, eine Vertiefung gebildet, mittels derer weitere Komponenten des Airbagmoduls oder Komponenten zum Befüllen des Gasdruckbehälters zuverlässig befestigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrelement mindestens durch einen axialen Halbwarmumformprozess hergestellt. Insbesondere umfasst der Umformprozess das axiale Halbwarmstauchen des Rohrelementes. Durch die Halbwarmumformung kann der weitere Vorteil erzielt werden, dass das Material des Rohres, aus dem das Rohrelement hergestellt wird, bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur umgeformt wird und damit die Kraft, die zur Umformung erforderlich ist, verringert ist. Zudem kann bei einem Halbwarmumformen ein Verzundern eines vorzugsweise verwendeten hochfesten Stahles bei der Umformung vermindert oder verhindert werden. Dadurch ist eine Nachbearbeitung des Rohrelementes nicht oder nur bereichsweise notwendig. Indem zusätzlich das Umformen vorzugsweise ein axiales Stauchen darstellt, ist das Material im Bereich des Vorsprungs anders als beim Warm-Rollieren keinen Zugspannungen ausgesetzt und ist daher bestandsfähiger.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus einem Halbwarmumformen ergibt, insbesondere durch ein Umformen bei Temperaturen kleiner der Ac₃-Temperatur des Werkstoffes des Rohrelementes, ist zum einen eine geringe oder nicht auftretende Zunderbildung. Zudem kommt es bei diesen Umformtemperaturen nicht zu einem Randentkohlen des Rohrelementes. Weiterhin kommt es bei diesen Temperaturen nicht zu einem Abkühlverzug und das Rohrelement kann gut spanend bearbeitet werden. Insbesondere in dem Bereich des Rohrelementes, in dem dieses gegebenenfalls dicht mit einer weiteren Komponente verbunden werden muss, ist die Dichtfläche sehr maßhaltig. Schließlich kommt es zu einer verbesserten Stromeinbindung beim Widerstandsschweißen. Insbesondere kann ein Pitting, das heißt Ausbrechen von Materialstücken, insbesondere schalenförmigen Materialstücken, verhindert werden und der Elektrodenverschleiß ist verringert.
Das Rohrelement besteht vorzugsweise aus einem vergüteten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 800 bis 1500 MPa, vorzugsweise 900 bis 1200 MPa. Durch dieses Material kann das Rohrelement den Beanspruchungen, denen ein Rohrelement als Gasdruckbehälter in einem Airbagmodul ausgesetzt ist, besonders gut standhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrelement in dem Verjüngungsabschnitt nur bereichsweise nach dem axialen Halbwarmumformprozess oberflächenbearbeitet. Beispielsweise kann die Oberflächenbearbeitung durch Fräsen erfolgen. Insbesondere durch Fräsen im Bereich des Vorsprungs kann die Kontur des Vorsprungs den Erfordernissen des Anbringens und Befestigens weiterer Komponenten entsprechend angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann insbesondere im Bereich des zweiten Endes des Rohrelementes in die Innenseite des Rohrelementes eine zylindrische Aussparung eingebracht werden. Auch diese Aussparung kann zum Einführen weiterer Komponenten eines Airbagmoduls dienen. Alternativ zum Fräsen kann ein anderes spanabhebendes oder auch ein walzendes oder knetendes Bearbeiten erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Verjüngungsabschnitt einen zweiten Längenabschnitt auf, der sich von dem zweiten Ende des Rohrelementes zu dem Vorsprung erstreckt und der zweite Längenabschnitt des Verjüngungsabschnittes weist einen geringeren Innendurchmesser als der erste Längenabschnitt auf. Alternativ kann der Innendurchmesser des zweiten Längenabschnittes aber auch gleich dem Innendurchmesser des ersten Längenabschnittes sein. Zudem weist der zweite Längenabschnitt einen geringeren Außendurchmesser als der erste Längenabschnitt auf. Alternativ kann der Außendurchmesser des zweiten Längenabschnittes auch gleich dem Außendurchmesser des ersten Längenabschnittes sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der Innenseite des zweiten Längenabschnittes eine zylindrische Aussparung eingebracht, die sich bis zu dem zweiten Ende des Rohrelementes erstreckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Gasdruckbehälter für ein Airbagmodul. Der Gasdruckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein erfindungsgemäßes Rohrelement aufweist.
Als Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls eines Fahrzeuges wird vorzugsweise das Gehäuse eines Gasgenerators eines Airbagmoduls eines Fahrzeuges bezeichnet. In dem Gasdruckbehälter wird Gas gespeichert oder erzeugt. Zudem wird aus dem Gasdruckbehälter Gas mit hoher Geschwindigkeit ausgegeben. Über den Gasgenerator wird dann der Gassack (Airbag) mit Gas befüllt. Der Gasgenerator kann hierbei ein Kaltgasgenerator oder ein Hybridgasgenerator sein. Bei diesen Gasgeneratoren wird zumindest ein Rohrelement vorgesehen, das insbesondere als Druckgasspeicher und/oder Expansionskammer für Gas dient. Das Rohrelement kann beispielsweise das Gehäuse eines Airbaggenerators darstellen. Auf diese Rohrelemente wirkt dabei spontan eine große Kraft, der der Werkstoff des Rohrelementes standhalten muss, um ein Bersten des Rohrelementes verhindern zu können. Ein Kaltgasgenerator besteht aus einem Gasspeicher, in dem Gas unter Hochdruck gespeichert ist, und einem Aktivator. Der Gasspeicher ist durch eine Membran verschlossen. Beim Auslösen des Gasgenerators wird die Membran, insbesondere durch einen Sprengsatz zerstört und das Gas kann aus dem Gasspeicher herausströmen. Alternativ kann der erfindungsgemäße Gasgenerator auch einen Hybridgasgenerator darstellen. Dieser stellt eine Kombination eines pyrotechnischen Generators und eines Kaltgasgenerators dar. Bei einem Hybridgasgenerator ist außer dem Druckspeicher für das Gas zusätzlich eine pyrotechnische Baugruppe zur Gaserzeugung vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rohrelementes. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet dass das Rohrelement mehrstufig hergestellt wird und mindestens einen Halbwarmumform-Verfahrensschritt umfasst, der als axiales Stauchen durchgeführt wird.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Rohrelementes und des Gasdruckbehälters, insbesondere Gasgenerators beschrieben wurden, gelten - soweit anwendbar - auch für das erfindungsgemäße Verfahren und jeweils umgekehrt.
Das Verfahren kann beispielsweise drei Halbwarmumform-Verfahrensschritte umfassen. Indem das Rohrelement mehrstufig hergestellt wird, kann die Umformung des Rohres trotz der bevorzugten Verwendung eines hochfesten Stahls bei geringeren Temperaturen erfolgen, die geringer sind als Temperarturen, die zur Warmumformung verwendet werden. Somit kann insbesondere ein Verzundern des Materials des Rohres bei der Umformung verhindert oder vermindert werden. Dennoch ist durch das Aufteilen des Verfahrens die Kraft pro Verfahrensschritt gering. Schließlich können durch das Aufteilen des Verfahrens in den einzelnen Verfahrensschritten unterschiedliche Werkzeuge verwendet werden, die auf die einzustellende Geometrie des Rohrelementes ausgelegt sind. Indem das Verfahren zusätzlich einen Halbwarmumform-Verfahrensschritt umfasst, der als axiales Stauchen durchgeführt wird, kann die Formgebung durch Druckbeaufschlagung des Rohrelementes erzeugt werden und daher die beim bekannten Verfahren des Rollierens zu erwartenden Zugspannungen nicht auftreten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- einen ersten Schritt des Einziehens eines Rohrendes eines Rohres auf den Innendurchmesser des Vorsprungs,
- einen zweiten Schritt des axialen Aufstauchens des Vorsprungs
- einen dritter Schritt des Einziehens des Rohrendes auf einen Enddurchmesser und Endformens des Vorsprungs.

Der erste Schritt des Einziehens des Rohrendes, durch das nach der Umformung der Verjüngungsabschnitt gebildet ist, erfolgt am zweiten Ende des Rohres, aus dem das Rohrelement hergestellt wird. Insbesondere erfolgt das Einziehen durch Verwendung von Außenwerkzeug, insbesondere einer Außenmatrize. Der zweite Schritt kann beispielsweise unter Verwendung eines Gesenkes ausgeführt werden. In dem dritten Schritt des Einziehens des Rohrendes auf einen Enddurchmesser und Formens des Vorsprungs werden das Einziehen des Rohrendes und das Formen des Vorsprungs vorzugsweise gleichzeitig bewirkt. Hierzu kann beispielsweise ein Gesenk verwendet werden.
Der mindestens eine Verfahrensschritt des Halbwarmumformens wird vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 200°C bis 800°C und unterhalb der Ac₃-Temperatur des Stahls, aus dem das Rohrelement besteht, durchgeführt. Die sich hierdurch ergebenden Vorteile, wurden oben bereits bezüglich des Rohrelementes beschrieben. Insbesondere kann der Kraftaufwand zur Umformung auch eines hochfesten Stahls verringert werden und zudem kann die Zunderbildung verringert oder verhindert werden. Die Temperatur, bei der die Zunderbildung beginnt, ist in der Regel werkstoffabhängig und nimmt ab einer bestimmten Temperatur exponentiell zu. Insbesondere bei Stahl findet die Zunderbildung bei Temperaturen unterhalb der Ac₃ Temperatur noch nicht statt oder ist gering. Somit kann eine Nachbehandlung des Rohrelementes, insbesondere ein Entzundern, bei der bevorzugten Umformung bei Temperaturen unterhalb der Ac₃ Temperatur des Stahls entfallen oder ist zumindest weniger aufwändig. Besonders bevorzugt wird das Rohr oder vorgeformte Rohrelement in dem jeweiligen Verfahrensschritt zumindest in dem Bereich, in dem in dem Schritt eine Umformung erfolgt auf die genannten Temperaturen erwärmt.
Gemäß einer Ausführungsform wird in dem ersten Verfahrensschritt ein Rohr mittels einer Außenmatrize gestaucht und dabei die Wanddicke des Rohres zumindest im Verjüngungsabschnitt und die Rohrlänge im Verjüngungsabschnitt vergrößert. Die Außenmatrize kann einen Durchlass aufweisen, der vorzugsweise an der Auslassseite einen zylindrischen Teil und an der Einführseite einen sich verjüngenden Bereich auf. Der sich verjüngende Bereich der Außenmatrize weist vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche auf und bildet somit eine Schalenform.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem zweiten Verfahrensschritt an dem Verjüngungsabschnitt an der Außenseite ein Vorsprung vorgeformt. Zudem kann in dem zweiten Verfahrensschritt die innere Form des Übergangsabschnittes fertig geformt werden. Als Vorformen des Vorsprungs wird hierbei insbesondere eine Vergrößerung der Wandstärke im Bereich des Vorsprungs verstanden. Die Vergrößerung der Wandstärke erfolgt durch axiales Stauchen. Vorzugsweise erfolgt die Vergrößerung der Wandstärke im Bereich des Vorsprungs nur nach außen. Der Innendurchmesser wird im Bereich des Vorsprungs nicht verringert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Verfahrensschritt mit einem Gesenk durchgeführt, das einen Dorn und einen den Dorn umgebenden Ringspalt aufweist, wobei der Ringspalt an der offenen Seite eine Schulter aufweist, in der die Breite des Ringspaltes vergrößert ist. Der Dorn und der Ringspalt sind auf einer Seite des Gesenks vorgesehen. Diese Seite kann auch als Oberseite des Gesenks bezeichnet werden. Der Dorn erstreckt sich von der Oberseite aus nach oben und der Ringspalt ist in die Oberseite des Gesenkes eingebracht, durchdringt dieses aber nicht vollständig. Als offene Seite des Ringspaltes wird daher die Seite des Ringspaltes verstanden, die in der Oberseite des Gesenkes liegt. Von dieser Seite aus wird das vorgeformte Rohrelement, das in einem Obergesenk gehalten ist, mit einem Teil des Verjüngungsabschnittes eingebracht. Durch das aufeinander zu Bewegen eines zweiten Gesenkes und des ersten Gesenkes, beispielsweise mittels eines Stempels, gelangt der Dorn in das Innere des Verjüngungsabschnittes. Der Dorn weist eine Länge auf, die größer ist als die Länge des Verjüngungsabschnittes.
Die Gesenke werden soweit aufeinander zu bewegt, bis das zweite Ende des Rohrelementes am Boden des Ringspaltes aufstößt. Durch ein weiteres Zusammenfahren der Gesenke wird dann eine axiale Kraft auf den Verjüngungsabschnitt ausgeübt und das Rohrelement in diesem Bereich gestaucht. Das Material des Verjüngungsabschnittes wird dabei in die an dem Ringspalt gebildete Schulter größeren Durchmessers gedrückt und dadurch der Vorsprung vorgeformt. Das Rohrelement wird in dem Gesenk vorzugsweise so gehalten, dass der unverformte Abschnitt, der Übergangsabschnitt und ein Teil des Verjüngungsabschnittes von dem Gesenk eng umgeben sind. An der Seite des Gesenkes, durch die der Verjüngungsabschnitt aus dem Gesenk austritt, ist an dem Durchlass ein Kragen gebildet, der eine abgerundete Form aufweist. Somit kann der sich durch das Stauchen ausbildende Vorsprung nach oben durch den Kragen vorgeformt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden in dem dritten Verfahrensschritt der Vorsprung und das Rohrende mittels eines Gesenkes fertig geformt, das eine napfförmige Vertiefung aufweist, deren Durchmesser zu dem offenen Ende hin zunimmt. Die Vertiefung ist auf einer Seite des Gesenks vorgesehen: Diese Seite kann auch als Oberseite des Gesenks bezeichnet werden. Die Vertiefung ist in die Oberseite des Gesenkes eingebracht, durchdringt dieses aber nicht vollständig. Als offene Seite der Vertiefung wird daher die Seite der Vertiefung verstanden, die in der Oberseite des Gesenkes liegt. Von dieser Seite aus wird das vorgeformte Rohrelement mit bereits vorgeformten Vorsprung, das in einem weiteren Gesenk gehalten ist, mit einem Teil des Verjüngungsabschnittes eingebracht. Insbesondere werden der zweite Längenabschnitt des Verjüngungsabschnittes und der untere Teil des Vorsprungs in die Vertiefung eingebracht. Die Tiefe der Vertiefung ist dabei geringer als die Länge des Verjüngungsabschnittes, der über das weitere Gesenk übersteht. Durch aufeinander zu Bewegen oder Verfahren der Gesenke wird damit der Verjüngungsabschnitt gestaucht. Insbesondere werden der zweite Längenabschnitt und der Vorsprung durch die axial wirkende Kraft gestaucht. Da kein Innenwerkzeug vorgesehen ist, wird die Wandstärke im Bereich des zweiten Längenabschnittes und des Vorsprungs vergrößert. Die Vertiefung weist vorzugsweise konische Mantelfläche, die gebogen ist, in dem Bereich auf, in dem der Vorsprung gebildet wird. Hierdurch kann eine Steigung an der Außenseite von dem zweiten Längenabschnitt zu dem höchsten Punkt des Vorsprunges geschaffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Rohrelement nach dem letzten Axialumformschritt bereichsweise an dem Verjüngungsabschnitt bearbeitet. Beispielsweise kann in der Innenseite des Verjüngungsabschnittes eine zylindrische Aussparung durch Bearbeitung der Oberfläche eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann an der Außenseite des Verjüngungsabschnittes der Krümmungsradius des Übergangs zwischen Vorsprung und zweitem Längenabschnitt durch Fräsen verkleinert werden und/oder ein Schmiedegrat an dem Vorsprung abgefräst werden.
Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes;
2: eine weitere Detailansicht des zweiten Endbereiches des Rohrelementes nach 1 ;
3: eine weitere Detailansicht des zweiten Endbereiches des Rohrelementes nach 1 ;
4: einen zweiten Endbereich des Rohrelementes nach einem dritten Verfahrensschritt;
5: eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6: eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrensschrittes einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
7: eine schematische Darstellung eines dritten Verfahrensschrittes einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrelementes 1. Das Rohrelement 1 weist ein erstes Ende 17 und ein zweites Ende 18 auf. Von dem ersten Ende 17 aus erstreckt sich der unverformte Abschnitt 11 des Rohrelementes 1. An den unverformten Abschnitt 11 schließt sich ein Übergangsabschnitt 12 an, in dem der Durchmesser des Rohrelementes 1 abnimmt. An den Übergangsabschnitt 12 schließt ich ein Verjüngungsabschnitt 13 an, der sich bis zu dem zweiten Ende 18 des Rohrelementes 1 erstreckt. An dem Verjüngungsabschnitt 13 ist ein Vorsprung 14 ausgebildet, der auch als Hinterschnitt oder Flansch bezeichnet werden kann. Der Vorsprung 14 ist von dem Übergangsabschnitt 12 durch einen ersten Längenabschnitt 130 des Verjüngungsabschnittes 13 beabstandet. Zwischen dem Vorsprung 14 und dem zweiten Ende 18 liegt ein zweiter Längenabschnitt 131 des Verjüngungsabschnittes 13.
In dem unverformten Abschnitt 11 weist das Rohrelement 1 eine Wandstärke W0 auf.
Im unverformten Bereich 11 weist das Rohrelement 1 einen Innendurchmesser I0 und einen Außendurchmesser A0 auf. In dem ersten Längenabschnitt 130 des Verjüngungsabschnittes 13 weist das Rohrelement 10 einen Außendurchmesser A1 auf, der geringer als der Außendurchmesser A0 ist, und einen Innendurchmesser I1 auf, der geringer ist als der Innendurchmesser 10. Der Innendurchmesser I2 im Bereich des Vorsprungs 14 ist in der dargestellten Ausführungsform gleich dem Innendurchmesser I1 des ersten Längenabschnittes 130. Der Außendurchmesser A2 des Vorsprungs 14 ist größer als der Außendurchmesser A1 und in der dargestellten Ausführungsform kleiner als der Außendurchmesser A0. Der Innendurchmesser I3 des zweiten Längenabschnittes 131 ist kleiner als der Innendurchmesser I1 und 12. Der Außendurchmesser A3 ist kleiner als der Außendurchmesser A1.
In der 4 ist die Form des Endbereiches der Ausführungsform des Rohrelementes 1 nach 1 nach dem dritten Umformschritt gezeigt. Wie sich aus dieser Ansicht ergibt, ist bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement 1 im Inneren der Übergang zwischen erstem Längenabschnitt 130, Vorsprung 14 und zweitem Längenabschnitt 131 durch eine glatte Oberfläche gebildet, in der keine Ausbuchtungen vorliegen. Hierdurch können im Inneren des erfindungsgemäßen Rohrelementes 1 Verwirbelungen verhindert werden, die sich auf die Funktionsweise eines Gasgenerators negativ auswirken können.
An der Außenseite ist in der dargestellten Ausführungsform die Steigung von dem zweiten Längenabschnitt 131 zu dem Vorsprung 14 gering. Sofern eine steilere Steigung gefordert ist, kann der mit 16 bezeichnete Bereich entsprechend abgetragen, beispielsweise abgefräst, werden. An der Innenseite kann entsprechend der mit 15 bezeichneten Innenfräsung eine zylindrische Aussparung in das erfindungsgemäße Rohrelement 1 eingebracht, beispielsweise gefräst, werden.
Auch ein Überstand Ü am zweiten Ende des Rohrelementes 1 kann durch Fräsen oder andere Bearbeitung abgetragen werden.
Die 5 bis 7 zeigen schematisch die Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Werkzeuge sind in diesen Figuren nicht dargestellt.
In einem ersten Schritt wird ein Rohr 10, in eine erste Matrize eingeführt, die dieses eng umgibt. Die Länge der ersten Matrize ist geringer als die Länge des Rohres 10. Zudem ist eine Außenmatrize vorgesehen. Die Außenmatrize weist einen Durchlass auf. Der Durchlass besitzt einen sich verjüngenden Teil und einen sich daran anschließenden zylindrischen Teil. Der größte Durchmesser des sich verjüngenden Teils ist größer oder gleich dem Durchmesser des Rohres 10. Der zylindrische Teil weist einen geringeren Durchmesser auf.
Das Rohr 10 wird zumindest teilweise in dem Bereich, in dem dieses über die erste Matrize übersteht, auf eine höhere Temperatur erwärmt als der Rest des Rohres 10. Indem die erste Matrize mit dem Rohr auf die Außenmatrize zubewegt wird, gelangt das Rohr 10 in den Durchlass und wird umgeformt. Das Rohr 10 weist somit nach dem ersten Schritt die in 5 rechts gezeigte Form auf. Insbesondere ist der Übergangsabschnitt durch den sich verjüngenden Teil des Durchlasses der Außenmatrize außen fertig geformt und der Verjüngungsabschnitt mit geringerem Durchmesser durch den zylindrischen Teil vorgeformt. Insbesondere sind die Wandstärke des Verjüngungsabschnittes und dessen Länge vergrößert. Das Rohr 10 wird vor diesem Verfahrensschritt beispielsweise über den Teil, der den Verjüngungsabschnitt bildet auf 700°C erwärmt, während der Rest des Rohres beispielsweise auf 200°C erwärmt ist.
In 6 ist der zweite Schritt des Verfahrens gezeigt. In diesem Schritt ist das in Schritt 1 vorgeformte Rohr 10 in einem ersten Gesenk aufgenommen. Das Rohr 10 ist so in dem ersten Gesenk aufgenommen, dass der unverformte Abschnitt und der Übergangsabschnitt in dem ersten Gesenk liegen. Hierzu ist in dem ersten Gesenk eine dem Übergangsabschnitt entsprechende Verjüngung vorgesehen. Zudem liegt auch der erste Längenabschnitt des Verjüngungsabschnittes in dem ersten Gesenk und wird von diesem von außen umschlossen. Der weitere Teil des Verjüngungsabschnittes ragt durch einen Kragen des ersten Gesenkes über dieses hinaus. Ein zweites Gesenk, das in diesem Schritt verwendet wird, weist einen Dorn und einen diesen umgebenden Ringspalt auf. Werden das erste Gesenk und das zweite Gesenk aufeinander zu bewegt, beispielsweise durch einen Stempel, gelangt der Dorn in das innere des Verjüngungsabschnittes des vorgeformten Rohrelementes 1. Die Gesenke werden soweit aufeinander zubewegt, dass das zweite Ende des Rohrelementes in den Ringspalt gelangt und an dessen Boden anstößt. Die Tiefe des Ringspaltes ist geringer als die Länge des Überstandes des Verjüngungsabschnittes über das erste Gesenk. Dadurch ergibt sich am Ende des zweiten Schrittes der in 6 gezeigte Zustand des Rohrelementes. In diesem Zustand ist der Vorsprung vorgeformt und der Übergangsabschnitt ist an Innenseite fertig geformt. Der Vorsprung wird von oben durch den Kragen des ersten Gesenkes und von der Unterseite durch die Schulter des Ringspaltes geformt.
In 7 ist der dritte Schritt des Verfahrens schematisch gezeigt. Das in Schritt 2 vorgeformte Rohrelement 1 ist in dem ersten Gesenk gehalten. Weiterhin ist ein zweites Gesenk vorgesehen, in dem eine napfförmige Vertiefung eingebracht ist. Wird dieses zweite Gesenk auf das erste Gesenk hin bewegt, gelangt der Verjüngungsabschnitt, insbesondere der zweite Längenabschnitt in die Vertiefung. Durch weiteres Zusammenfahren der Gesenke erhält das Rohrelement 1 die in 7 rechts gezeigte Form.
Nach diesem Verfahrensschritt kann, wie oben beschrieben, gegebenenfalls eine Bearbeitung des Rohrelementes 1 beispielsweise mittels Fräsen erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Rohrelement
10: Rohr
11: unverformter Abschnitt
12: Übergangsabschnitt
13: Verjüngungsabschnitt
130: erster Längenabschnitt
131: zweiter Längenabschnitt
14: Vorsprung
140: Schmiedegrad
15: Innenfräsung
16: Außenfräsung
17: erstes Ende
18: zweites Ende
A0: Ausgangsaußendurchmesser
A1: erster Außendurchmesser
A2: zweiter Außendurchmesser
A3: dritter Außendurchmesser
I0: Ausgangsinnendurchmesser
I1: erster Innendurchmesser
I2: zweiter Innendurchmesser
I3: dritter Innendurchmesser
W0: Ausgangswandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1702695 B1 [0004]

Claims

Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagmoduls, insbesondere eines Fahrzeuges, wobei das Rohrelement (1) aus hochfestem Stahl besteht, ein erstes und ein zweites Ende (17, 18) aufweist und von dem ersten Ende (17) zu dem zweiten Ende (18) das Rohrelement (1) einen unverformten Abschnitt (11), einen Übergangsabschnitt (12) und einen Verjüngungsabschnitt (13) aufweist und an dem Verjüngungsabschnitt (13) zumindest ein radial nach außen ragender Vorsprung (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (14) von dem Übergangsabschnitt (12) durch einen ersten Längenabschnitt (130) mit einem Außendurchmesser (A1), der geringer als der Außendurchmesser (A2) des Vorsprungs (14) ist, getrennt ist und die Wandstärke des Vorsprungs (14) größer ist als die Wandstärke des ersten Längenabschnittes (130).
Rohrelement nach Anspruch 1, wobei das Rohrelement (1) mindestens durch einen axialen Halbwarmumformprozess hergestellt ist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Rohrelement (1) aus einem vergüteten Stahl mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 800-1500 MPa, insbesondere 900-1200 MPa besteht.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Rohrelement (1) in dem Verjüngungsabschnitt (13) nur bereichsweise nach dem axialen Halbwarmumformprozess oberflächenbearbeitet ist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verjüngungsabschnitt (13) einen zweiten Längenabschnitt (131) aufweist, der sich von dem zweiten Ende (18) des Rohrelementes (1) zu dem Vorsprung (14) erstreckt und der zweite Längenabschnitt (131) des Verjüngungsabschnittes (13) einen geringeren oder gleichen Innendurchmesser (13) und einen geringeren oder gleichen Außendurchmesser (A3) als der erste Längenabschnitt (130) aufweist.
Rohrelement nach Anspruch 5, wobei in der Innenseite des zweiten Längenabschnittes (131) eine zylindrische Aussparung eingebracht ist, die sich bis zu dem zweiten Ende (18) des Rohrelementes (1) erstreckt.
Gasdruckbehälter für Airbagmodul, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Rohrelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Rohrelementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) mehrstufig hergestellt ist und mindestens einen Halbwarmumformverfahrensschritt umfasst, der als axiales Stauchen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - einen ersten Schritt des Einziehens eines Rohrendes eines Rohres (10) auf den Außendurchmesser (A1)des Vorsprungs (14), - einen zweiten Schritt des axialen Aufstauchens des Vorsprungs (14) - einen dritter Schritt des Einziehens des Rohrendes auf einen Enddurchmesser (A3) und Endformens des Vorsprungs (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei mindestens der Verfahrensschritt des axialen Halbwarmumformprozesses bei Temperaturen im Bereich von 200°C bis 800°C und unterhalb der Ac₃-Temperatur des Stahls, aus dem das Rohrelement besteht, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in dem ersten Verfahrensschritt ein Rohr (10) mittels einer Außenmatrize (3) gestaucht wird und dabei die Wanddicke des Rohres (10) zumindest im Verjüngungsabschnitt (13) und die Rohrlänge im Verjüngungsabschnitt (13) vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei in dem zweiten Verfahrensschritt an dem Verjüngungsabschnitt (13) an der Außenseite ein Vorsprung (14) vorgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem zweiten Verfahrensschritt die innere Form des Übergangsabschnittes (12) fertig geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der zweite Verfahrensschritt mit einem Gesenk (5) durchgeführt wird, das einen Dorn (50) und einen den Dorn (50) umgebenden Ringspalt (51) aufweist, wobei der Ringspalt (51) an der offenen Seite eine Schulter (510) aufweist, in der die Breite des Ringspaltes (51) vergrößert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei in dem dritten Verfahrensschritt der Vorsprung (14) und das Rohrende im Bereich des zweiten Längenabschnittes (131) mittels eines Gesenkes (6) fertig geformt werden, das eine napfförmige Vertiefung (60) aufweist, deren Durchmesser zu dem offenen Ende hin zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei das Rohrelement (1) nach dem letzten Axialumformschritt bereichsweise an dem Verjüngungsabschnitt (13) bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei in der Innenseite des Verjüngungsabschnittes (13) eine zylindrische Aussparung (15) durch Bearbeitung der Oberfläche eingebracht wird.