DE10305542A1

DE10305542A1 - Profile aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselemente

Info

Publication number: DE10305542A1
Application number: DE2003105542
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Groche; Michael Dipl.-Ing. Jöckel; Gerrit Von Dipl.-Ing. Breitenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil mindestens aus einem Teil besteht und mindestens eine Verzweigung aufweist, die durch das aus dem Dokument DE 10039768 A1 bekannten Verfahren des Spaltprofilierens hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Profile aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselemente.
In vielen technischen Anwendungsgebieten werden Träger sowie Versteifungs- und Deformationselemente benötigt. Beispiele hierfür sind tragende und versteifende Strukturbauteile im Bereich des Maschinenbaus sowie Stoßfänger und -stangen in Kraftfahrzeugen. Sowohl aus Funktions- als auch Designgründen werden oftmals spezifische Anforderungen an die Bauteiloberflächen gestellt. Vorzugsweise sind hierbei glatte Oberflächen mit geringen Rauhigkeiten erwünscht.
Die Auslegung tragender und versteifender Profile basiert üblicherweise auf der Festlegung einer maximal zulässigen Durchbiegung und der Vermeidung plastischer Verformungen und Ausknickungen des Bauteils im Betrieb. Maßgeblich hierfür sind die Elastizitätsmodule und -grenzen der eingesetzten Materialien und die Flächenträgheitsmomente der Profile. An Stellen erhöhter Beanspruchung sind insbesondere große Elastizitätsgrenzen von Vorteil, da hierdurch lokales Beulen der Strukturbauteile verhindert wird und diese größere Belastungen bis zu einer unerwünschten plastischen Verformung ertragen.
An Stellen erhöhter Belastungen der tragenden und versteifenden Bauteile sind weiterhin erhöhte Flächenträgheitsmomente von Vorteil, während an Stellen geringerer Beanspruchung reduzierte Flächenträgheitsmomente zur Gewährleistung der Betriebsfestigkeit ausreichen. Zur Erreichung gewichtsoptimierter tragender und versteifender Elemente werden aus diesen Gründen Bauteile mit belastungsangepassten Querschnitten eingesetzt.
Deformationselemente werden zur Erhöhung des Energieaufnahmevermögens bei einem Aufprall eines Fahrzeuges auf ein Hindernis eingesetzt. Zur Erfüllung dieser Funktion sind diejenigen Deformationselemente optimal, mit denen eine möglichst konstante Deformationskraft über einem großen Deformationsweg aufrecht erhalten werden kann und die auch bei größeren Abweichungen der Verformungskraft von der Längsachse des Deformationselementes noch voll wirksam bleiben. Diese Funktion wird von profilartigen Bauteilen, deren Querschnitte mehrere Profilkammern aufweisen, in besonderem Maße gewährleistet ( CH 691731 A5 ). Zur Verhinderung des frühzeitigen Beulens oder plastischen Ausknickens der Bauteile ist weiterhin eine möglichst große Elastizitätsgrenze der eingesetzten Bauteilwerkstoffe anzustreben.
Im Bereich der Stahlverarbeitung werden Profilteile mit geringen Oberflächenrauigkeiten durch Verfahren der Kaltumformung, insbesondere durch die Verfahren Walzprofilieren und Gesenkbiegen, hergestellt. Bei Verarbeitung von Aluminiumlegierungen erfolgt die Fertigung vor allem durch das Umformverfahren Strangpressen. Die Wahl des Herstellungsverfahrens hängt unter anderem von der zu produzierenden Losgröße und der Komplexität der zu fertigenden Bauteile ab.
Allen diesen zur Herstellung der Träger, Versteifungs- und Deformationselemente bekannten Fertigungsverfahren ist gemeinsam, dass im Oberflächenbereich der gefertigten Bauteile lediglich geringe oder keine Verfestigungen des eingesetzten Materials realisiert werden.
Eine durch fertigungsbedingte Kaltverfestigung der Profile mögliche Steigerung der Elastizitätsgrenze der umgeformten Profile wird somit nicht oder nur gering ausgenutzt.
Mit dem Strangpressen sind komplexe Profile aus Leichtmetallen wirtschaftlich herstellbar, jedoch bestehen Einschränkungen bezüglich der Werkstoffauswahl der Halbzeugmaterialien. Beispielhaft sind durch Strangpressen nicht alle Aluminiumlegierungen prozesssicher verarbeitbar. Weiterhin ergeben sich Einschränkungen beim Strangpressen von Stählen, da hier wirtschaftliche Werkzeugstandzeiten oftmals nicht erreicht werden. Insbesondere die Verarbeitung hochfester Stähle in dünnen Wandstärken ist nicht prozesssicher realisierbar. Bei der Herstellung von Profilen durch Walzprofilieren sind große Fertigungsgeschwindigkeiten erzielbar. Wirtschaftliche Einschränkungen ergeben sich oftmals bei der Herstellung von Profilen, deren Querschnitte Profilkammern enthalten, da hier in Folge der notwendigen Vielzahl von Fügeoperationen und Umformschritten lediglich geringe Fertigungsgeschwindigkeiten realisierbar sind und die Prozesssicherheit hierdurch reduziert wird.
Profile sind ebenfalls durch das Abkanten eines ebenen Bleches erzeugbar. Hier ergeben sich in vielen Fällen fertigungsbedingte Einschränkungen der konstruktiven Möglichkeiten zur Gestaltung der Profile. Zur Erreichung einer ausreichenden Struktursteifigkeit der abgekanteten Bauteile müssen deshalb ebenfalls oftmals Fügeoperationen eingesetzt werden. Industriell weit verbreitet ist das Schweißen, wodurch im Bereich der Schweißstellen Wärmeinflusszonen entstehen. Diese führen zu Spannungskonzentrationen und Inhomogenitäten der Werkstoffeigenschaften in den zu fertigenden Bauteilen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Profil einer der eingangs genannten Gattungen zu schaffen, das an einer oder mehreren Stellen der Profiloberfläche eine erhöhte Festigkeit aufweist und kostengünstig mit einer reduzierten Anzahl von Fügeoperationen hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Profil durch das Umformverfahren Spaltprofilieren und optional weitere vor- oder nachgeschaltete Fertigungsoperationen, insbesondere das Verfahren des flexiblen Walzprofilierens, hergestellt wird.
Neuere Entwicklungen in der Umformtechnik haben gezeigt, dass durch ein als „Spaltprofilieren" bezeichnetes Verfahren die Herstellung von Profilteilen mit von der Blechebene wegweisenden Randflanschen möglich ist ( DE 10039768 A1 ). Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe einer Umformwalze und zwei Druckwalzen ein ebenes Blechband zu einem längsorientierten Profilteil umgeformt. Die dabei gebildeten Randflansche weisen hierbei insbesondere im Kontaktbereich des Werkstückes mit der Umformwalze eine erhöhte Festigkeit und Härte auf. Mit diesem Verfahren können kostengünstig Profilteile für den Einsatz als Träger, Versteifungs- oder Deformationselemente gefertigt werden, die im Betrieb höhere Belastungen ertragen als zur Zeit erhältliche Profile für die genannten Einsatzzwecke. Die durch das Herstellungsverfahren bedingte Steigerung der Festigkeit und Härte in bestimmten Oberflächenbereichen wird erfindungsgemäß dadurch ausgenutzt, dass mindestens ein Teil dieser Oberflächenbereiche erhöhter Festigkeit und Härte zur Erhöhung der statischen Festigkeit und der Betriebsfestigkeit des zu fertigenden Trag-, Versteifungs- oder Deformationselementes genutzt wird.
Durch das Spaltprofilieren können weiterhin Verzweigungen in Profilquerschnitten einteilig hergestellt werden, so dass, im Vergleich zum Walzprofilieren und Gesenkbiegen von Profilen, die Anzahl der notwendigen Fügeoperationen reduziert wird. Hierdurch ergeben sich sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile in Bezug auf die Teileanzahl und den Wegfall von Fertigungsoperationen zum Fügen der Profilkomponenten.
Im Gegensatz zum Strangpressen können durch das Spaltprofilieren alle Werkstoffe, die ein ausreichendes Umformvermögen besitzen, verarbeitet werden. Hierdurch ergeben sich Vorteile bezüglich der Flexibilität der Werkstoffauswahl.
Weitere Entwicklungen in der Umformtechnik haben gezeigt, dass mit dem Verfahren des flexiblen Walzprofilierens Profile mit über der Profillängsachse veränderlichen Querschnitten gefertigt werden können ( DE 10011755 A1 ). Bei diesem Verfahren werden, im Gegensatz zum konventionellen Walzprofilieren, die Umformwalzen translatorisch senkrecht zur Längsrichtung der Profillängsachse und rotatorisch um mindestens eine von der Drehachse der Umformwalzen verschiedene Drehachse während des Umformvorganges verfahren.
Mit dem flexiblen Walzprofilieren können Profile mit über der Profillängsachse veränderlichen Profilquerschnitten in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt werden. In einer Prozesskette kann das flexible Walzprofilieren dem Verfahren Spaltprofilieren vor- oder nachgeschaltet werden, wodurch das zu fertigende Bauteil einer der eingangs genannten Gattungen mit über der Längsachse veränderlichen Querschnitten hergestellt werden kann. Hierdurch können beanspruchungs- und gewichtsoptimierte Trag-, Versteifungs- oder Deformationselemente gefertigt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindergedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigt jeweils in einem vereinfachten Querschnitt:
1 ein als Trag- oder Versteifungselement ausgebildetes Profil
2 eine gegenüber der 1 abgewandelte Ausführung eines Profils für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement
3 ein Profil mit integrierter Schweißnaht für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement
4 ein als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement ausgebildetes Profil, ebenfalls mit integrierter Schweißnaht
5 ein als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement ausgebildetes Profil, das aus zwei gefügten Komponenten aufgebaut ist.
6 ein als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement ausgebildetes Profil mit über der Längsachse veränderlichem Querschnitt
Das in 1 in einem Teilschnitt dargestellte Trag- oder Versteifungselement, bestehend aus einem Steg 1 und vier Flanschen 2, weist zwei Verzweigungen 3 auf, die nach dem aus dem Dokument DE 100 39 768 A1 bekannten Verfahrens des Spaltprofilierens hergestellt sind. Die ausgebildeten Flansche 2 sind insbesondere im Bereich der Oberflächen 5 durch das Spaltprofilieren kaltverfestigt und weisen deshalb im Bereich dieser Oberflächen im Vergleich zum verwendeten Halbzeug erhöhte Elastizitätsgrenzen auf. Hierdurch wird die statische Festigkeit und die Betriebsfestigkeit des Trag- oder Versteifungselementes im Vergleich zu mit zuvor beschriebenen konventionellen Fertigungsmethoden hergestellten Profilen erhöht.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich von dem Beispiel nach 1 nur dadurch, dass zwei der durch das Spaltprofilieren ausgebildete Flansche 2a eine geringere Dicke als die beiden Flansche 2 aufweisen und durch weitere Fertigungsschritte gebogen sind.
Beim Ausführungsbeispiel des Profils nach 3a ist der Steg 1 durch dem Spaltprofilieren vor- oder nachgeschaltete Fertigungsschritte U-förmig gebogen. An den Verzweigungen 3 werden durch das Spaltprofilieren jeweils zwei Y-förmig abstehende Flansche 2, 2b ausgebildet, wobei die Flansche 2b zur Verbesserung der Struktursteifigkeit des dargestellten Profils durch eine Schweißnaht oder punktförmige Schweißverbindungen 4 stoffschlüssig verbunden sind. Alternativ können zur Verbindung der Flansche 2b auch andere, auf Form- oder Kraftschluss basierende, Fügeverfahren eingesetzt werden. Das Profil zeichnet sich durch einen geschlossenen Querschnitt 7 aus. Dies trägt zu einer hohen Struktursteifigkeit des Profils im Betrieb bei. Zusätzlich sind die Flansche 2 von diesem geschlossenen Querschnitt 7 weg gerichtet und können beispielhaft zur Anbindung des Profils an weitere Bauteile genutzt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 3b unterscheidet sich von dem Beispiel nach 3a unter anderem dadurch, dass die durch Spaltprofilieren gebildeten Flansche 2 jeweils eine weitere Verzweigung 3b aufweisen, die wiederum durch Spaltprofilieren aus den Flanschen 2 hergestellt wird. Durch die zusätzlichen Verzweigungen 3b weist das Profil zwei geschlossene Kammern 7 auf. Die Flansche 2d sind von diesen geschlossenen Querschnitten 7 weg gerichtet und können wiederum beispielhaft zur Anbindung des Profils an weitere Bauteile genutzt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von dem Beispiel nach 3 nur dadurch, dass die durch das Spaltprofilieren ausgebildeten Flansche 2b durch eine Schweißnaht oder punktförmige Schweißverbindungen 4 mit dem profilierten Steg 1 verbunden sind. Alternativ können zur Verbindung der Flansche 2b mit dem profilierten Steg 1 wiederum auch andere, auf Form- oder Kraftschluss basierende, Fügeverfahren eingesetzt werden. Das Profil zeichnet sich durch zwei geschlossene Kammern 7 aus. Dies trägt zu einer hohen Struktursteifigkeit des Profils im Betrieb bei. Zusätzlich sind die Flansche 2 von diesen geschlossenen Querschnitten 7 weg gerichtet und können beispielhaft zur Anbindung des Profils an weitere Bauteile genutzt werden.
Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen zweiteiligen Aufbau aus. Das innere Teil, bestehend aus dem Steg 1 und den Flanschen 2, wird durch Spaltprofilieren in Verbindung mit vor- oder nachgeschalteten Fertigungsschritten, bei denen die Flansche 2 gebogen werden, hergestellt. Das äußere Teil 6 ist ein profiliertes Blech, das mit dem inneren Teil durch die Schweißnähte oder punktförmigen Schweißverbindungen 4 verbunden wird. Zur Erhöhung der Struktursteifigkeit wird das äußere Teil 6 mit einer Schweißnaht oder mehreren Schweißpunkten 4a als geschlossener Querschnitt ausgebildet. Alternativ kann mindestens eine der dargestellten Schweißverbindungen durch andere, auf Form- oder Kraftschluss basierende, Fügeverfahren ersetzt werden. Das Profil besteht aus vier geschlossenen Kammern 7, die eine hohe Struktursteifigkeit des Profils im Betrieb gewährleisten.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Profil mit über der Profillängsachse veränderlichem Querschnitt, das durch Spaltprofilieren, das vor- oder nachgeschaltete Verfahren des flexiblen Walzprofilierens ( DE 10011755 A1 ) und optionale, weitere Fertigungsoperationen hergestellt wird. Neben den durch das Spaltprofilieren vorteilhaft erhöhten Festigkeiten im Bereich der Oberflächen 5 der Flansche 2c ist das Profil so ausgeführt, dass in Bereichen erhöhter Belastungen im Betrieb ebenfalls erhöhte Flächenträgheitsmomente des Profils erreicht werden.

Claims

Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil mindestens aus einem Teil besteht und mindestens eine Verzweigung (3) aufweist, die durch das aus dem Dokument DE 100 39 768 A1 bekannten Verfahren des Spaltprofilierens hergestellt wird.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil aus einem Teil besteht und keine Fügestellen aufweist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ausgebildeter Flansch (2, 2a, 2b, 2c) mit mindestens einem weiteren ausgebildeten Flansch (2, 2a, 2b, 2c) punktförmig, linienförmig oder flächig an mindestens einer Stelle gefügt ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ausgebildeter Flansch (2, 2a, 2b, 2c) an mindestens einer Stelle mit mindestens einem Steg (1) punktförmig, linienförmig oder flächig gefügt ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ausgebildeter Flansch (2, 2a, 2b, 2c) mit mindestens einem weiteren ausgebildeten Flansch (2, 2a, 2b, 2c) punktförmig, linienförmig oder flächig an mindestens einer Stelle gefügt ist und dass mindestens ein ausgebildeter Flansch (2, 2a, 2b, 2c) an mindestens einer Stelle mit mindestens einem Steg (1) punktförmig, linienförmig oder flächig an mindestens einer Stelle gefügt ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ausgebildeter Flansch 2, 2d von mindestens einem entstandenen geschlossenen Querschnitt 7 nach außen gerichtet ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil aus mehreren Teilen besteht und dass mindestens ein Steg (1) an mindestens einer Stelle mit mindestens einem weiteren profilierten Blech (6) punktförmig, linienförmig oder flächig gefügt ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil aus mehreren Teilen besteht und dass mindestens ein ausgebildeter Flansch (2, 2a, 2b, 2c) an mindestens einer Stelle mit mindestens einem weiteren profilierten Blech (6) punktförmig, linienförmig oder flächig gefügt ist.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Profilteils weitere Fertigungsoperationen verwendet werden.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil einen über der Längsachse veränderlichen Querschnitt aufweist und dass dieser veränderliche Querschnitt mit dem aus dem Dokument DE 100 11 755 A1 bekannten Verfahren des flexiblen Walzprofilierens erzeugt wird.
Profilteil aus Blech für den Einsatz als Trag-, Versteifungs- oder Deformationselement nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil einen über der Längsachse veränderlichen Querschnitt aufweist und dass dieser veränderliche Querschnitt mit dem aus dem Dokument DE 100 11 755 A1 bekannten Verfahren des flexiblen Walzprofilierens und weiteren Fertigungsoperationen erzeugt wird.