DE69403544T2 - Verfahren zum Formen eines rohrförmigen Konstruktionsteils - Google Patents

Verfahren zum Formen eines rohrförmigen Konstruktionsteils

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines rohrförmigen Bauelements.
  • Hydroformung, die Verwendung von Fluiddruck, um ein Rohr oder einen Rohrrohling auszudehnen, so daß er sich in die Form eines umschließenden Gesenks fügt, ist beim Versehen von rohrförmigen Teilen mit einer Querschnittsform, die entlang ihrer Längsachsen variiert, wirkungsvoll. Die Querschnittsform des resultierenden Bauelements unterscheidet sich oft merklich von der Querschnittsform des Rohrrohlings. Kastenförmige Querschnitte werden meistens aus zylindrischen Rohrrohlingen geformt. Diese Querschnittsformen werden jedoch eine beinahe konstante Wanddicke aufweisen, wenn der Umfang entlang der Länge des resultierenden Bauelements ziemlich konstant bleibt.
  • Herkömmliche Hydroformung, wo die Formung im wesentlichen darauf begrenzt ist, den Rohrrohling unter Druck zu setzen, um ihn dazu zu zwingen, sich an das umschließende Gesenk anzupassen, erzeugt wenig Änderung der Länge eines Teils. Die Länge des geformten Teils ist im wesentlichen gleich der Länge des Rohrrohlings. Aus diesem Grund neigt die Querschnittsfläche der geformten Rohrwand dazu, entlang ihrer Länge konstant zu bleiben, wobei diese gleich der Länge des Rohrrohlings ist. Die konstante Fläche bedeutet, daß im allgemeinen ein Ausgleich zwischen dem Abschnittsumfang und der örtlichen Wanddicke hergestellt wird. Hydroformung wird im allgemeinen den Umfang vergrößern und die Wanddicke verringern. Es ist festzustellen, daß eine abweichende Form von Hydroformung, Weiten genannt, Teile erzeugt, die kürzer als der Rohrrohling sind, um eine Zunahme des Umfangs mit wenig oder keiner zugehörigen Abnahme der Wanddicke zu liefern. Jedoch erfordert Weiten ein Belasten in Längsrichtung des Rohlings gleichzeitig mit der Unterdrucksetzung des Rohlings.
  • Die zulässige Umfangsausdehnung des Rohrstranges mit herkömmlicher Hydroformung ist durch die Duktilität des Rohrmaterials begrenzt. Ein duktilerers Material kann ein größeres Ausdehnungsausmaß aushalten.
  • Es ist oft sehr erwünscht, Teile zu erzeugen, die Wandumfänge und/oder Wanddicken aufweisen, welche örtlich entlang der Länge des geformten Teils um mehr als das Ausmaß variieren, das mit herkömmlicher Hydroformung erhältlich ist, wie ein rohrförmiges Element mit einer örtlichen Zunahme von 100 Prozent der Wanddicke oder mit einer örtlichen Zunahme des Umfanges von 100 Prozent. Unglücklicherweise eignet sich herkömmliche Hydroformung nicht ohne weiteres dazu, ein Teil mit derartigen örtlichen Veränderungen zu liefern.
  • Ein Ansatz, herkömmliche Hydroformung zu verwenden, um Teile zu liefern, die zufriedenstellende, in Längsrichtung variierende Dicken- und Umfangserfordernisse liefern, ist, die maximalen Umfangs- und Dickenabmessungen die Abmessungen des Rohrrohlings für dessen gesamte Länge steuern zu lassen. Ortliche Umfangsverringerungen werden erreicht, indem jeglicher übermäßiger Rohrumfang in einen Flansch auf einer Seite des geformten Teils gefaltet wird. Das Zulassen, daß die maximalen Abmessungen die Rohrrohlingabmessungen steuern, weist jedoch einen zugehörigen Massenachteil auf, weil die resultierenden Teile schwerer sind als sie sein müssen.
  • Ein anderer Ansatz ist, das Teil in kleinen Abschnitten aus einer Vielfalt von Rohrrohlingen mit den örtlich gewünschten Charakteristiken hydrozuformen und dann die kleineren hydrogeformten Teile zusammenzuschweißen. Jedoch bringt dies einen Werkzeugkostennachteil mit sich, weil mehr Gesenksätze erforderlich sind, als wenn das Endteil aus einem einzigen Rohling in einem einzigen Gesenksatz geformt wird.
  • Eine alternativer Ansatz, um örtlich dickere Abschnitte in dem Bauelement zu liefern, ist, ein Rohr mit irgendeiner Nenndicke zu verwenden, um eine Basisdicke vorzusehen, und Hülsen über dem Rohr an jenen Stellen zu verwenden, die eine größere Dicke benotigen, um örtliche Dickenzunahmen vorzusehen. Die Hülsen werden zuerst über den Rohrrohling gesetzt. Das Rohr und die Hülsen werden zusammen zur Formung in das Gesenk gelegt. Es werden spezielle Haltevorrichtungen verwendet, um die Hülsen an axialen Positionen auf dem Rohr zu positionieren. Die Ausdehnung des Rohres um die Hülse herum verbraucht einen bedeutenden Teil des erhältlichen Ausdehnungsausmaßes des Rohres, da das Rohr in der Nähe der Enden der Hülse auf einen Außenumfang erweitert sein wird, der näherungsweise gleich dem Außenumfang der umgebenden Hülse ist. Ein Beispiel des obigen ist in US-A-4759111 beschrieben.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale definiert, die in Anspruch 1 spezifiziert sind. Bezüglich der US-A-4759111 umfaßt die vorliegende Erfindung den Schritt, daß die Rohre zusammengeschweißt werden, und kann mit Rohren unterschiedlicher Dicke verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die oben erwähnten Begrenzungen der herkömmlichen Hydroformungstechniken beim Vorsehen von Bauelementen, deren Umfang und Dicke in der Längsrichtung wesentlich variieren. Die Begrenzungen werden überwunden, indem Rohrrohlinge geformt werden, die die gewünschten Umfangscharakteristiken und Dickencharakteristiken in Längsrichtung des Bauelements aufweisen, das hydrogeformt werden soll.
  • Das Vorsehen eines einzigen Rohrrohlings durch Zusammenschweißen von Rohren unterschiedlicher Durchmesser und Dicken macht es möglich, Teile, die örtliche Dickenschwankungen und Umfangsänderungen in Längsrichtung aufweisen, aus einem einzigen Rohrrohling in einem einzigen Formungsvorgang mit einem einzigen Gesenk hydrozuformen. Dies bietet bedeutende Kostenersparnisse gegenüber der Formung mehrerer kleiner Abschnitte und anschließendem Zusammenschweißen, weil nur ein Gesenksatz erforderlich ist.
  • Ein rohrförmiges Bauelement kann auch mit einer örtlichen Verschiedenheit der Festigkeitscharakteristiken versehen werden, indem ein Abschnitt eines gewünschten verschiedenen Materials an einer gewünschten Stelle in Längsrichtung in dem Rohrrohling eingeschlossen wird. Das rohrförmige Bauelement kann auch mit örtlichen Veränderungen von Materialbeschichtungen versehen werden, die für die beabsichtigte Verwendung des Elements geeignet sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • Figur 1 drei Stücke eines Rohrstranges mit zwei unterschiedlichen Wanddicken zeigt;
  • Figur 2 die drei Stücke in Figur 1 in einen einzigen Rohrrohling zusammengeschweißt zeigt;
  • Figur 3 den Rohrrohling von Figur 2 zeigt, wobei das geschweißte Metall von der Außenseite des Rohrrohlings entfernt ist;
  • Figur 4 den Rohrrohling von Figur 3 zeigt, nachdem er gebogen worden ist;
  • Figur 5 ein rohrförmiges Bauelement zeigt, das aus dem Rohrrohling in Figur 4 gebildet ist;
  • Figur 6 eine Schnittansicht des rohrförmigen Bauelements von Figur 5 zeigt, das in einem Gesenkhohlraum angeordnet ist;
  • Figur 7 zwei Stücke eines zylindrischen Rohrstranges mit unterschiedlichen Durchmessern zeigt;
  • Figur 8 einen ersten alternativen Ansatz zeigt, um die Rohre in Figur 7 in einen einzigen Rohrrohling zu fügen;
  • Figur 9 einen zweiten alternativen Ansatz zeigt, um die Rohre in Figur 7 in einen einzigen Rohrrohling zu fügen;
  • Figur 10 einen dritten alternativen Ansatz zeigt, um die Rohre in Figur 7 in einen einzigen Rohrrohling zu fügen;
  • Figur 11 einen vierten alternativen Ansatz zeigt, um die Rohre in Figur 7 in einen einzigen Rohrrohling zu fügen;
  • Figur 12 eine Perspektivansicht des Rohrrohlings zeigt, der aus den Rohren in Figur 7 gebildet ist; und
  • Figur 13 eine Perspektivansicht eines rohrförmigen Bauelements zeigt, das aus dem Rohrrohling in Figur 12 gebildet ist.
  • Die Figuren 1 - 6 stellen die Formung eines U-förmigen, rohrförmigen Bauelements 10 dar, das in abgeschlossener Form in Figur 5 gezeigt ist, welches einen Mittelabschnitt 12 mit einer Wanddicke aufweist, die größer ist als die der zwei Endteile 14. Das geformte Bauelement 10 weist einen im allgemeinen kastenförmigen Querschnitt entlang des größten Teils einer Längsachse 16 auf.
  • Der Prozeß beginnt mit der Formung von ersten und zweiten Rohren 18, 20, die in Figur 1 gezeigt sind. Zwei erste zylindrische, mit Naht versehene Rohre 18 mit Längsachsen 22, und die eine Wanddicke t1 und einen Durchmesser d1 aufweisen, werden aus einem geeigneten Material, wie SAE 1010-Stahl geformt. Die Wanddicke t1 ist ausgewählt, um die minimale erforderliche Wanddicke der Endteile 14 zu liefern, was eine erwartete Verdünnung während der Formung berücksichtigt. Der Durchmesser d1 ist ausgewählt, um den gewünschten Umfang der geformten Endteile 14 zu liefern, was die erhältliche Umfangsausdehnung berücksichtigt, die zu dem hier ausgewählten Material gehört.
  • Ein zweites zylindrisches, mit Naht versehenes Rohr 20 mit einer Längsachse 24, und das eine Wanddicke t2 und einen Durchmesser d2 aufweist, wird aus einem geeigneten Material, wie SAE 1010-Stahl geformt. Die Wanddicke t2 ist ausgewählt, um die minimale erforderliche Wanddicke des Mittelabschnittes 12 zu liefern, was eine erwartete Verdünnung während der Formung berücksichtigt. Der Durchmesser d2 ist ausgewählt, um den resultierenden Umfang des geformten Mittelabschnitts 12 zu liefern, was die erhältliche Umfangsausdehnung berücksichtigt. In dieser Ausführungsform ist d1 gleich d2 und t2 ist größer als t1.
  • Eines der ersten Rohre 18 wird Ende an Ende mit dem zweiten Rohr 20 gesetzt, wobei ihre Längsachsen 20, 24 so ausgerichtet sind, daß sie zusammenfallen. Die Rohre 18, 20 werden mit einem Laser zusammengeschweißt, was eine abgedichtete Verbindung liefert. Das verbleibende erste Rohr 18 wird ähnlich an das andere Ende des zweiten Rohres 20 geschweißt. Diese drei Rohre 18, 20, 18 bilden zusammen einen Rohrrohling 26, der in Figur 2 zu sehen ist. Die Längsachsen der drei Rohre definieren eine Längsachse 28 des Rohrrohlings 26. Die Längsachse 28 des Rohrrohlings 26 tritt durch ein erstes offenes Ende 30 und ein zweites offenes Ende 32 des Rohrrohlings 26. Dieser Verbundrohrrohling 26 mit einer Wanddicke t2 in nur dem zweiten Rohr 20 ist merkbar leichter als ein Rohrrohling der Dikke t2 über seine gesamte Länge.
  • Nach dem Schweißen wird überschüssiges Schweißmetall auf einer Außenfläche 33 des Rohrrohlings 26 entfernt, um die Außenfläche 33 zu glätten. Ein geglätteter Rohrrohling 26 ist in Figur 3 gezeigt. Dieses Glätten verhindert, daß die Wände während der Hydroformung um die Schweißnaht gebogen werden.
  • Der Rohrrohling 26 wird dann entlang seiner Längsachse 28 durch herkömmliche Mittel zu einer U-Form gemeinsam mit einer U-Form eines Längshohlraumes 34 eines Gesenks 36 gebogen, in welchen der Rohling 26 gelegt wird. Der gebogene Rohrrohling 26 ist in Figur 4 gezeigt. Dornbiegen ist das bevorzugte Biegemittel in der vorliegenden Erfindung. Ein anderer Vorteil, einen einzigen integralen Rohrrohling 26 zu haben, ist hier ohne weiteres ersichtlich. Der integrale Rohrrohling 26 benötigt während des Biegens keine spezielle Haltevorrichtung, um Verstärkungshülsen zu positionieren.
  • Der gebogene Rohling 26 wird dann in einer Hydroformungsmaschine zwischen einem ersten Gesenkabschnitt 40 und einem zusammenwirkenden zweiten Gesenkabschnitt 42 des Gesenks 36 positioniert. Diese zusammenwirkenden Gesenkabschnitte 40, 42 definieren, wenn sie zusammengepreßt werden, den Längshohlraum 34. Die offenen Enden 30, 32 des gebogenen Rohlings 26 gelangen mit der Hydroformungsmaschine in Eingriff und werden durch diese abgedichtet. Der gebogene Rohrrohling 26 wird mit Hydraulikfluid durch die offenen Enden 30, 32 durch die Hydroformungsmaschine gefüllt. Die zusammenwirkenden Gesenkabschnitte 40, 42 werden zusammengepreßt, um den gebogenen Rohling 26 in dem Gesenk 36 zu umschließen. Etwas Verformung des Rohrrohlings 26 in dem Gesenk 36. Etwas Verformung des Rohrrohlings 26 kann auftreten, wenn er in den Gesenkhohlraum 34 gedrückt wird, wenn die Gesenkabschnitte 40, 42 zusammengepreßt werden.
  • Eine Formungsunterdrucksetzung des Fluids in dem Rohrrohling 26 auf näherungsweise 62050 kPa (9000 Pfund pro Quadratinch) wird eingeleitet, nachdem das Gesenk 36 geschlossen worden ist. Der Druck zwingt den Rohrrohling 26 sich nachgiebig in den Gesenkhohlraum 34 zu fügen, wodurch das gewünschte rohrförmige Bauelement 10 hergestellt wird. Das Bauelement 10 wird dann entspannt und das Hydraulikfluid wird abgelassen. Die Gesenkabschnitte 40, 42 werden getrennt, wobei das rohrförmige Bauelement 10 zur Entfernung aus dem Gesenk 36 gelöst wird. Eine Hydroformungsausrustung, die zur Verwendung in diesem Vorgang geeignet ist, ist in US-Patent Nr. 5 233 856 und 5 233 854 beschrieben.
  • Das resultierende U-förmige, rohrförmige Bauelement 10 weist eine Außenfläche 44 auf, die entlang ihrer Länge kontinuierlich ist mit einer merklich größeren Wanddicke in ihrem Mittelabschnitt 12 als in ihren Endabschnitten 14.
  • Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den Figuren 7 - 13 gezeigt ist, stellt dar, wie ein hydrogeformtes Bauelement 50 mit einem variierenden Umfang versehen wird. Ein Zusammenschweißen von Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern, um einen Rohrrohling 52 mit einem Durchmesser zu liefern, welcher in der Längsrichtung variiert, macht es möglich, wesentliche Änderungen des Umfangs in einem hydrogeformten Bauelement unter Verwendung von nur einem Hydroformungsvorgang zu erreichen.
  • Ein Rohling 52 wird aufgebaut, indem ein erstes Rohr 54 mit einem Durchmesser d1 und einer Wanddicke t1 und einer Längsachse 55 Ende an Ende mit einem zweiten Rohr 56 mit einem Durchmesser d2 und einer Wanddicke t2 und einer Längsachse 57 geschweißt wird, wobei d2 kleiner als d1 und t1 gleich t2 ist. Die Rohre 54, 56, die in Figur 7 gezeigt sind, können nicht zum Schweißen aneinander angestoßen werden, weil sich d1 von d2 um mehr als die doppelte Wanddicke t1 unterscheidet. Es sind mehrere Optionen zum Fügen der Rohre 54, 56 in den Figuren 8 - 11 gezeigt und unten beschrieben.
  • - Ein Ende des zweiten Rohres 56 wird auf Durchmesser d1 aufgeweitet, wie in Figur 8 gezeigt.
  • - Ein Ende des ersten Rohres 54 wird auf Durchmesser d2 herunter verjüngt, wie in Figur 9 gezeigt.
  • - Ein Ende des zweiten Rohres 56 wird aufgeweitet und ein Ende des ersten Rohres 54 wird herunter verjüngt auf irgendeinen Zwischendurchmesser zwischen d1 und d2, wie in Figur 10 gezeigt.
  • - Ein Übergangsrohr 58 mit einem Durchmesser d1 an einem Ende und einem Durchmesser d2 an einem zweiten Ende wird zwischen den ersten und zweiten Rohren 54, 56 angeordnet, wie in Figur 11 gezeigt.
  • Das Aufweiten und Verjüngen wird unter Verwendung herkömmlicher Rohrformungsmittel, wie Rohrexpander, herbeigeführt. Ein anderes zweites Rohr 56 wird ähnlich an ein verbleibendes Ende des ersten Rohres 54 geschweißt, um den Rohrrohling 52 zu formen.
  • Der Rohrrohling 52 wird dann in Übereinstimmung mit der vorher beschriebenen Prozedur zur Formung von rohrformigen Bauelementen mit unterschiedlichen Dicken hydrogeformt. Es ist festzustellen, daß der Hohlraum in einem Gesenk, in welchen der Rohling 52 gelegt werden soll, einen entsprechenden Übergang im Umfang auf den des Rohrrohlings 52 aufweisen wird, so daß die Ausdehnung des Umfangs auf näherungsweise fünf Prozent an irgendeiner Stelle entlang einer Längsachse 60 des Rohlings 52 begrenzt ist.
  • Es ist anzumerken, daß die Achsen 55, 57 des Rohres 54, 56 nicht zusammenfallen müssen, bevor sie gefügt werden. Dies erleichtert die Formung eines Bauelements mit einem Teil mit großem Umfang, der axial von einem Teil mit kleinem Durchmesser versetzt ist.
  • Es kann auch für manche rohrförmige Bauelemente erwünscht sein, eine örtliche Abweichung des Materials in Längsrichtung aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung paßt sich diesem an. Ein erstes Rohr aus einem ersten Material kann an ein zweites Rohr aus einem zweiten Material geschweißt werden, um einen Rohrrohling mit einer Veränderung des Materials in Längsrichtung in dem geformten Bauelement zu formen. Es ist festzustellen, daß die in einem Rohrrohling zu verwendenden Materialien zum Schweißen miteinander verträglich sein müssen. Beispiele unterschiedlicher Materialtypen, welche miteinander kombiniert werden können, sind hochfester, niedrig legierter Stahl, verzinkter Stahl und unlegierter Kohlenstoffstahl.
  • Offensichtlich sind viele Modifikationen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf obige Lehren möglich, ohne vom Bereich der Erfindung wie beansprucht abzuweichen. Ohne weiteres offensichtliche Veränderungen umfassen die Formung eines Rohrrohlings sowohl mit Wanddicken- als auch Umfangsveränderungen, und eine Formung eines Rohrrohlings, der sowohl Umfangsveränderungen als auch Materialveränderungen aufweist. Eine andere potentielle Veränderung ist, den Umfang über das empfohlene Ausmaß von fünf Prozent hinaus in dem Hydroformungsvorgang auszudehnen. Auch könnten die Rohlinge geformt werden, ohne das Schweißmaterial zu entfernen. Weiter könnten andere duktile Metalle außer Stahl, wie Aluminium und Magnesium, gemäß dieser Erfindung hydrogeformt werden. Die Rohre, die verwendet werden, um den Rohling zu bilden, können unterschiedliche Beschichtungen aufweisen. Drücke, die verwendet werden, um Teile zu bilden, werden mit der Materialdicke und den erforderlichen Teilgenauigkeiten variieren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Formen eines rohrförmigen Bauelements (10; 50), das eine selektiv örtlich festgelegte Veränderung in Längsrichtung der Wanddicke und/oder des Umfanges aufweist, mit den Schritten, daß
ein erstes Rohr (18; 54) geformt wird, das einen ersten Durchmesser (d1) und eine erste Wanddicke (t1) aufweist;
ein zweites Rohr (20; 56) geformt wird, das einen zweiten Durchmesser (d2) und eine zweite Wanddicke (t2) aufweist, wobei der erste Durchmesser (d1) sich von dem zweiten Durchmesser (d2) unterscheidet und/oder die erste Wanddicke (t1) sich von der zweiten Wanddicke (t2) unterscheidet; daß
ein Ende des ersten Rohres (18; 54) an ein Ende des zweiten Rohres (20; 56) entweder direkt Ende an Ende oder mittels eines Übergangsrohres (58) geschweißt wird, das den ersten Durchmesser (d1) an dem einen Ende und den zweiten Durchmesser (d2) an dem anderen Ende aufweist, um einen Längsrohrrohling (26; 52) zu formen; daß der Rohrrohling (26; 52) in einem Gesenk (36) eingeschlossen wird, das zusammenwirkende Gesenkabschnitte (40; 42) aufweist, die einen Längshohlraum (34) definieren; und daß
der Rohrrohling (26; 52) aus dessen Innerem hydraulisch unter Druck gesetzt wird, wodurch der Rohrrohling (26; 52) radial nach außen relativ zur Längsachse (28; 60) des Rohrrohlings in Übereinstimmung mit dem Längshohlraum des Gesenks gezwungen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der erste Durchmesser (d1) größer als der zweite Durchmesser (d2) ist, worin das Ende des zweiten Rohres (56) auf einen Durchmesser aufgeweitet wird, der im wesentlichen gleich dem ersten Durchmesser (d1) ist, bevor die Enden direkt aneinandergeschweißt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der erste Durchmesser (d1) größer als der zweite Durchmesser (d2) ist, worin das Ende des ersten Rohres (54) auf einen Durchmesser herunter verjüngt wird, der im wesentlichen gleich dem zweiten Durchmesser (d2) ist, bevor die Enden direkt aneinandergeschweißt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der erste Durchmesser (d1) größer als der zweite Durchmesser (d2) ist, worin das Ende des zweiten Rohres (56) auf einen Durchmesser zwischen den ersten und zweiten Durchmessern (d1; d2) aufgeweitet wird, und das Ende des ersten Rohres (54) auf den Zwischendurchmesser herunter verjüngt wird, bevor die Enden direkt aneinandergeschweißt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das weiter den Schritt umfaßt, daß eine Außenfläche des Rohrrohlings (26) an der Position der oder jeder Schweißnaht geglättet wird, bevor der Rohrrohling (26; 52) in dem Gesenk (36) eingeschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das erste Rohr (18; 54) aus einem Material geformt wird, welches sich von dem Material des zweiten Rohres (20; 56) unterscheidet.
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