EP0633075B2 - Verfahren zur innendruckgestützten Umformung von metallischen Hohlprofilen - Google Patents

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EP0633075B2
EP0633075B2 EP94890118A EP94890118A EP0633075B2 EP 0633075 B2 EP0633075 B2 EP 0633075B2 EP 94890118 A EP94890118 A EP 94890118A EP 94890118 A EP94890118 A EP 94890118A EP 0633075 B2 EP0633075 B2 EP 0633075B2
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EP
European Patent Office
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pressure
blank
pressing
pressure medium
counter
Prior art date
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EP94890118A
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French (fr)
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EP0633075A1 (de
EP0633075B1 (de
Inventor
Gerfried Auer
Ernst Dr. Bitsche
Alexander Dipl.-Ing. Dr. Renner
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ELB-FORM GMBH
Original Assignee
ELB-Form GmbH
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Publication date
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Application filed by ELB-Form GmbH filed Critical ELB-Form GmbH
Publication of EP0633075A1 publication Critical patent/EP0633075A1/de
Publication of EP0633075B1 publication Critical patent/EP0633075B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/037—Forming branched tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/28—Making tube fittings for connecting pipes, e.g. U-pieces
    • B21C37/29—Making branched pieces, e.g. T-pieces
    • B21C37/294—Forming collars by compressing a fluid or a yieldable or resilient mass in the tube

Definitions

  • the invention relates to a method for the internal pressure-based forming of hollow metal profiles in tools for workpieces provided with bulges, neckings, branches or the like, the interior of a blank attached to the tool, which has at least one movable plunger on its end faces and a stationary counter-holding tool part, preferably with two movable plungers, in engagement brought, a liquid pressure medium is supplied, the blank with the help of the press ram (s) with bulging is pressed into at least one cavity in the tool and the pressure of the pressure medium inside of the blank completed by the press ram and stationary counter-holding tool part or the press ram depending on the process progress during pressing, preferably depending on the press ram path, is controlled.
  • FR-A-1 048 show 482 and US-A-3 350 905 such forming techniques, wherein according to FR-A-1 048 482 the pressure of the pressure medium inside the workpiece equal to the pressure with which the press rams are acted upon, or else is restricted to a smaller value by means of a reducing valve; according to US-A-3 350 905 this internal pressure can, on the other hand, with the aid of fixed control cams, which are driven by a roller in order to control a Pressure fluid pump can be scanned depending on the position of the press ram to be inflated Internal pressure and thus destruction of the workpiece as the forming process progresses avoid.
  • EP-A-36 365 is finally a method of the type mentioned known, with regard to the existing structural irregularities and wall thickness differences in the Output tubes the lowest possible reject in pressure forming should be achieved that at least once at a predetermined value of the longitudinal compression, i.e. the ram path, the pressure of the Pressure medium in the interior of the workpiece and / or the transverse deformation, i.e. the path of a counter-punch in the tool cavity, into which the workpiece is bulged, is or are measured and depends on the Measurement result, the ratio of internal pressure to longitudinal compression is redefined, based on previously different Experiments carried out on blank types.
  • the inventive method of the type mentioned is accordingly characterized in that in Process phases with small expansions of the material the pressure of the pressure medium is adjusted so that the the reference stress formed in the workpiece essentially corresponds to the dimensional stability of the material, whereas in process phases with large strains the pressure of the printing medium is sufficient to increase the elongation at break of the material by lowering the mean stress to put up.
  • a pressure control of the pressure of the - liquid - pressure medium inside the blank during the pressing process depending on the type and dimension of the workpiece to be produced, in particular depending on Wall thickness of the blank, according to the cross-section of the blank, etc., the flow of the material ensures without tearing be, the internal pressure control when flowing the material in molded parts of great curvature of crucial Meaning is.
  • the internal pressure is to be set higher, the greater the wall thickness of the Blanks are, and / or the smaller are the radii of curvature that are followed when the blank is deformed got to. Even with small workpiece or blank diameters, the internal pressure must be dimensioned comparatively high. The reason for this is the large comparative strains (according to Tresca or Mises) that occur in individual cases Points of the workpiece so that by lowering the hydrostatic tension component (enlargement of the hydrostatic pressure) the possible comparison elongation must be increased (compressive stresses calculated negatively).
  • Such Workpieces can be made, for example, as node pieces in so-called "space frames” (frame constructions Aluminum or aluminum alloys that are covered with aluminum plates) in vehicle body technology are used, in which case straight or curved rods or profiles are inserted into the node pieces and welded therein or be glued.
  • space frames frame constructions Aluminum or aluminum alloys that are covered with aluminum plates
  • the control of the pressure of the pressure medium during the forming will take place in such a way that Process phases in which an initial bulging, possibly forming the workpiece on variable (moving) tool parts, and the occurring expansion strains are small, the pressure together with the stresses in the workpiece caused by the press ram to the uniaxial stress state Formation of the so-called reference stress (according to Tresca or Mises), the deformation resistance is modeled of the material reached (given the stress conditions, the next point on the so-called hyper flow surface in the stress space, which occurs with plastic deformation according to the flow condition of Tresca (oblique hexagonal prism) or mises (inclined elliptical cylinder) encompasses all conceivable stress states during flow); on the other hand, in process phases in which large expansions occur, for example for the replenishment of material in molded workpiece parts, the pressure at all times kept at least as large as the total in the workpiece resulting hydrostatic stress component (negative), formed from the spatial stress state to the strain resistance according to
  • the pressure medium at the beginning of the pressing process a low overpressure, e.g. in the order of 300 to 600 bar, and towards the end of the pressing process the maximum value, for example in the order of a few kbar, is brought.
  • the internal pressure can of the blank, i.e. the pressure of the pressure medium, for example during approximately the first half of the pressing process (i.e.
  • the internal pressure can then gradually, for example linearly, up to the maximum pressure End of the pressing process can be increased.
  • the reference stress resulting from the internal pressure and the stresses from the pressing forces and frictional forces reach the material's dimensional stability.
  • the pressure medium to a maximum pressure during the pressing process of at least 80% of the tensile strength of the material of the blank.
  • the value for the maximum pressure is of course not only the material itself, but also that Material thickness and also the cross section of the workpiece must be taken into account, as already mentioned above has been.
  • the pressure control depends in detail on the type and shape of the workpiece to be manufactured, and it can be provided here with advantage that the pressure of the pressure medium in press phases in which the material of the Blank flows around the tool's small radii of curvature, depending on the wall thickness to 5% -40% of the maximum pressure at Pressing is set (the reference stress reaches the deformation resistance). The maximum internal pressure is achieved outside of these phases.
  • the pressure medium before Pressing the blank to an increased preload pressure preferably 5% -20%, in particular approximately 10%, of the maximum pressure reached during pressing, e.g. brought to a value in the order of 100 to 1000 bar becomes.
  • Such a bias of the pressure medium is particularly for the initial problem-free bulging of the Blanks of importance, the value of the preload pressure depending on the buckling stress of the part to be deformed Material is selected; in particular, the internal pressure is to be determined in such a way that there is no buckling at the point of manufacture Bulging occurs, which occurs when the pressure medium is not pre-stressed, particularly during processing of small wall thicknesses in relation to the other dimensions of the hollow profile could happen.
  • the Blank is filled with the pressure medium free of gas inclusions and when the pressure medium passes through a pump is brought to an increased pressure. If there were gas inclusions in the - liquid - pressure medium, this would be the desired pressure increase due to the compression and expansion of the gas inclusions not to achieve or reduce and thus impair the desired exact pressure control.
  • the blanks are preferably subjected to a heat treatment before the pressing operation, in order thereby to achieve the Make material more ductile. Because of its microstructure, it then has a significantly higher elongation at break on.
  • this is an advantageous embodiment of the method according to the invention characterized in that in the case of Rochling materials, the outsourcing of alloy components to the grain boundaries have, especially high-strength aluminum alloys, a heat treatment before the pressing process is carried out such that the ductility of. by storing these alloy components in the grain lattice Material is increased, and that the pressing process within a predetermined time window, e.g. 1h to 4h after the Heat treatment, however, before there is a renewed outsourcing of the alloy components to the grain boundaries comes, is carried out.
  • a predetermined time window e.g. 1h to 4h after the Heat treatment
  • variable counter tool part which has a cross-sectional shape corresponding to the (respective ) has to be bulged out, and it is particularly advantageous here if the (respective) variable tool part is counter-pressure and / or displacement-controlled and the force introduced into the workpiece is dimensioned such that the total occurring in the workpiece mean stress (the hydrostatic stress component) is reduced to such an extent that the elongation at break thereby determined becomes greater than the greatest strain occurring in the workpiece part in question supported by the variable tool part.
  • variable counter-holding tool part (s) for supporting bulged workpiece parts is all the more important, the more brittle the material and the smaller the wall thickness.
  • the counter-support creates a hydrostatic stress component in the adjacent outer fiber of the workpiece, which increases the possible, exploitable elongation at break (especially in the case of brittle materials), so that the greatest comparative strains occurring in these areas become smaller than the elongation at break. This prevents the workpiece from bursting.
  • Counter-hardening of this type is particularly advantageous if the blank has a wall thickness of less than 10% of the equivalent diameter D ers (as defined above) or if materials with a brittle fracture toughness of less than 50 MM ⁇ m -3/2 or materials with a Tensile strength Rm less than 350 N / mm 2 can be used.
  • Such countermeasures are also advantageous in the case of bulges which are to be produced unevenly with respect to the cross section and which have small radii of curvature on parts of the surface, in particular mine than 10% of the named replacement diameter D ers .
  • the aim here is to control the force directed against the workpiece and transmitted by the variable counter-holding tool parts, in the case of the workpiece in the fiber (the outer fiber) resting on the respective variable counter-holding tool, a hydrostatic one related to the deformation resistance Stress component is caused, the elongation at break according to the corresponding material characteristic is greater than the greatest comparative elongation occurring there at any time.
  • the force to be exerted by the variable counter-holding tool part at all times of the process, in particular also at the start of the process at least 5% of the pressure exerted by the internal pressure part to be bulged exerted force.
  • variable pressure-controlled counter tool parts in addition to their pressure control, path monitoring or measurement is carried out, to adjust their pressure control when the variable counterhold tool parts move at uneven speeds.
  • Process lubrication is also important because it relates to the volume of material being formed there is a large area of friction.
  • a corresponding application of lubricant is therefore particularly on the edges of the Semi-finished products essential. It has proven to be advantageous here if in zones with a small radius of curvature of the blank or tool, especially on rounded edges, by at least 50% more lubricant is applied as on the remaining parts of the blank or tool.
  • the pressure medium discharge line preferably leads through the (other) press stamp or, if applicable, the stationary one Counter tool part, and in this pressure medium discharge line the pressure setting device is included.
  • a pressure medium source with a constant, high level Pressure is supplied, and the pressure adjustment is carried out in the discharge line, preferably for this simple a controlled pressure valve is used.
  • a pressure medium source a can simply be used as the pressure medium source
  • Pressure medium with a predetermined high pressure supplying pump can be provided, and then is in the pressure medium supply line advantageously a check valve is added so that the pressure medium does not come from inside the blank can be pushed back to the pump.
  • a workpiece made of brittle material for example with a brittle fracture toughness of less than 30 MN.m -3/2 , in particular made of an aluminum alloy, can be obtained for the first time with the method according to the invention .
  • a blank from a tube with a circular cross section is closed in a conventional manner a workpiece 1 with a bulge in the form of a T-piece, the workpiece 1 in a stationary Tool 2 is pressed with the help of press dies 3, 4 placed on the end face.
  • the pressing force with the Press stamping 3, 4 is exerted on the workpiece 1, is schematically illustrated with arrows 5 and 6, respectively.
  • the workpiece 1 is filled with a liquid pressure medium before forming or pressing, after which the two press rams 3, 4 are brought into engagement with the end faces of the workpiece 1 and the pressing process begins.
  • pressing builds up a corresponding internal pressure in the workpiece 1, which the material of the workpiece 1 from the inside supports, whereas there is an external support by the tool 2. In this way the material of the Workpiece 1 brought to flow into the cavity 7 in the workpiece 2.
  • the workpiece 1 is supported from the inside with the aid of the pressure medium that has been filled into the workpiece 1. as schematically illustrated in FIG. 2 with arrows 8.
  • the following relationship applies to the strain ⁇ in the material of the workpiece 1 in the area of the outer fiber 9 or the inner fiber 10:
  • Inner fiber: ⁇ i In (1 + w / (2r + w))
  • Outer fiber: ⁇ a In (1 - w / (2r + w))
  • w denotes the wall thickness of the workpiece 1
  • r denotes the radius of curvature around which the material flows along the tool 2.
  • the neutral fiber is otherwise indicated at 11 in FIG.
  • the mean stress ⁇ m is also referred to in the literature as the hydrostatic stress component.
  • the deformation resistance k f is generally only dependent on the change in shape and the temperature during forming, but in special cases the rate of deformation can also be included in the deformation resistance k f .
  • Essential to the invention is the physical effect that the pressure expansion (that is the greatest possible positive or negative expansion, which allows material, temperature and stress state) of a plasticizable material by lowering the hydrostatic stress component (possibly related to the strain resistance, in order to increase the deformation history) capture) can be increased significantly.
  • FIG. 3 shows the respective one Components of Fig.1 corresponding components with the same reference numerals.
  • a workpiece 1 in the interior of a tool 2, and from above or below press rams 3 or 4 brought about in order to press the workpiece 1 and bulge into a tool cavity 7, as illustrated in Figure 3.
  • a movable tool part 13 is arranged for counter-holding, this movable or variable counter-holding tool part 13 for the sake of simplicity, to be called a counter-stamp.
  • the counterforce this counter-punch 13 is indicated with Fg, whereas the pressing force of the press dies 3, 4 with Fp1 and Fp2 is specified.
  • the internal pressure inside the workpiece 1 is indicated by pi, this internal pressure pi during the course of the process is preferably controlled depending on the path s of the ram 3, 4. Accordingly the press rams 3, 4 in the drawing, not illustrated in more detail, of conventional design per se assigned so as to detect the path s of the ram 3, 4 at any time.
  • the internal pressure pi (s) is set with the aid of a pressure valve 14, which passes through the upper ram 3 Pressure medium discharge line 15 is arranged, wherein it is preceded by a control valve 16, which two Positions - filling or pressing - has.
  • the pressure medium supply division 17 is further to drive back the pressure medium to prevent pump 18, a check valve 20 is arranged.
  • FIGS. 4 and 5 The shape of the die or tool 2, also the shape, is shown in FIGS. 4 and 5 in conjunction with FIG called, more in detail, whereby it can be seen that the outer circular tool 2 an elongated Interior or molding space 21 of square cross-section, for the one having a square cross-section Workpiece 1, as well as the cavity 7 branching therefrom of rectangular cross section for the one to be produced Bulge or branch 12 has the workpiece 1.
  • a blank i.e. a hollow profile with a square cross section, from which the workpiece 1 with the Branch 12 is to be formed, inserted into the tool 2, after which the two press rams 3, 4 engage be brought to the end faces of the blank, with a tight seal on these end faces with the help of the press ram 3, 4 is brought about.
  • the press rams 3, 4 on their end faces on the outer circumference be graduated, i.e. have step-shaped heels, in particular a height in the range of 5% to 100% of have mean wall thickness of the blank, and with which the material of the blank is plasticized during pressing, whereby a metallic seal is brought about.
  • the pump 18 is switched on, in particular to pressure medium Water to supply the interior of the blank via the pressure medium supply line 17.
  • the valve 16 on the The outlet side is in the "fill" position as shown, with this position simply being ascertained can be when the pressure medium emerges on the outlet side (as illustrated schematically in FIG. 3 with the outlet line 22) is).
  • the control valve 16 is then moved upward into its "pressing" position as shown in FIG the output side is connected to the pressure valve 14 instead of the outlet line 22.
  • the pressure of the pressure medium is now increased with the aid of the pump 18, and the pressing process can begin by driving the ram 3, 4 with the pressing force Fp1 or Fp2.
  • Fp1 or Fp2 the pressing force
  • the internal pressure pi (s) is continuously adjusted with the help of the pressure valve 14, whereby beginning with a preload at the beginning of the pressing, an increase in pressure to approximately twice Bias pressure can be provided, after which, for example, in a next section of the process a linear pressure increase to approximately ten times the pressure value - up to approximately the middle of the entire pressing process, i.e. half way the ram 3, 4- is provided; afterwards the internal pressure pi is increased, for example this maximum value now reached is kept constant.
  • the bulge or Branch 12 is produced, with the counter-punch 13 having a likewise preferably path-dependent Controlled counter-holding force Fg is countered so as to prevent the bulge 12 from bursting or bursting.
  • FIG. 6 shows a diagram of the internal pressure pi (in bar) over the path s (in mm) of the press rams 3, 4, the internal pressure pi generally being controlled as a function of the path as set out above.
  • a prestressing pressure pv of, for example, 130 bar is set at the beginning of the pressing process, and at the beginning of the Pressing, the internal pressure pi increases to a value pa of e.g. 250 bar at up to a press ram path s of 7.5 mm is kept constant (phase of molding on the punch 13 and beginning bulge with small ones Strains).
  • a workpiece 1 'can also have two Branches 12 ', 12' 'can be produced, as illustrated in the diagram of FIG.
  • the tool 2 ' has in In this case, two cavities 7 ', 7' 'for the bulges or branches 12', 12 '', in which cavities 7 ', 7' ', corresponding counter-stamps 13', 13 '' as variable tool parts with a contact force Fg.1 (s) or Fg2 (s) are kept mobile.
  • the press rams 3, 4 are applied to the workpiece 1 'with a pressing force Fp1 or Fp2.
  • a supply line 23 is provided for filling the workpiece 1 ′ with water, to which the pressure medium supply line 17 Connected via a directional valve 24 and on the one hand via the pump 18 or on the other hand directly via a check valve 25 is.
  • a pressure valve 14 ' is in turn connected to the pressure medium discharge line 15, which in the present case Case via a hydraulic control circuit with an adjustable pump 26 and a control line 27, in the one Check valve 28 is added, can be adjusted in pressure.
  • a control and regulating unit 30 which the process water biasing pump 18th and the pump 26 adjustable in terms of the outlet pressure in the control circuit for the pressure valve 14 'for the purpose of adjustment of the respective internal pressure pi.
  • Input variables for the control and regulating unit 30 are the path s the press ram 3, 4 (it is usually sufficient to take the path of a ram, e.g. 3, and the unit 30 ) and the internal pressure pi (s), which is also measured for safety reasons.
  • the quantities Fp1, Fp2, Fg1 and Fg2 according to Fig. 7 are both detected and set, e.g. simply path dependent or with an additional readjustment (actual value-setpoint comparison), as described in more detail below will be explained in more detail with reference to the flow diagrams from FIGS. 8 to 10.
  • unit 30 could be a PLC (programmable logic controller) unit act with the simply path-dependent the pressures (press forces Fp1, Fp2, Fg1, Fg2) and in particular the internal pressure pi can be set.
  • PLC programmable logic controller
  • FIG. 8 A corresponding flow diagram is shown in FIG. 8, which is such a simple path-dependent one Pressure guidance and counterforce guidance included.
  • the inputs for v1 are made (Valve for the press ram 3, for the press shaft Fp1), for v2 (valve for the press ram, 4, for the press force Fp2), for the Internal pressure pi (s), for the counterforce Fg1 (s) and for the counterforce Fg2 (s).
  • the workpiece 1 ' is filled in block 33 until the pressure medium emerges at the outlet of the pressure valve 14'.
  • the valves v1 and v2 are set in accordance with block 35 in FIG. This begins the actual pressing process, during which the path s of the press ram (s) 3, 4 is measured, s.
  • the pressure relief valve 14 'for the internal pressure pi is continuously set depending on the path s, block 37 in FIG. 8.
  • block 39 it is queried cyclically whether the press ram path s has reached the end value for it, ie whether the pressing process can be ended or not. If this is not the case, the system returns to block 36, etc. at 40, and a new path measurement, pressure relief valve position, etc. is carried out 8 is indicated at 41.
  • Step 9 illustrates in a further flowchart a somewhat modified process flow compared to FIG. 8, as here an internal pressure-dependent regulation for the counter-stamping forces Fg1 and Fg2 takes place.
  • the Steps 31 to 37 are the same as in the flow chart according to FIG. 8, so that there will be a new description of them can spare.
  • step 37 setting the internal pressure pi
  • the internal pressure pi is measured Counter-holding force Fg1 of the one counter-holding die 13 'and the counter-holding force Fg2 of the second counter-holding die 13 '' (block 42 in Fig. 9). This is followed by a control of Fg1 and Fg2, i.e.
  • a setpoint Fg1 (pi) and a setpoint Fg2 (pi) are determined and compared with the actual value Fg1 ist and Fg2ist, respectively.
  • the valves for the actuation of the counterhold punches 13 'or 13' 'are set Block 43 in Fig. 9. Then it is queried again in block 39 whether the press punches have already reached their end of travel, and if no, return to block 39; if yes, go to end 41.
  • FIG. 11 schematically shows a device with a Welkzeug 2 without variable tool parts (counter-holding stamp) shown in a cavity 7, wherein, for example, a hemispherical bulge 12 on the workpiece 1 'at Presses to be generated with the help of the press rams 3, 4.
  • a heat treatment of the blank to be pressed is desired before the pressing process - in the As a rule, such a heat treatment is preferred for soft annealing - the duration and the degree of depend Heat treatment (temperature) of course from the respective blank, in particular from the respective material from.
  • a heat treatment will have to be carried out in such a way that the blank is long enough, e.g. 1 heated to a few 100 ° C in an annealing furnace for up to 2 hours, after which it is allowed to cool in air; before that soft annealed material again, due to the outsourcing of alloy components to the grain boundaries, to duclility would then lose the pressing process - e.g. approx. 2 or 3 hours after the heat treatment.
  • the upright arrangement of the tool shown in FIGS. 3 and 7 with the supply of the pressure medium from below has the advantage that when filling air bubbles or gas bubbles in general can rise, so that the interior of the blank or workpiece 1 or 1 'can be filled without gas bubbles.
  • Adequate lubrication is also important when pressing, especially in areas with a large curvature, where the material has to flow around tight radii or in tight threads.
  • a corresponding lubricant application is therefore particularly important on edges - including the blank. In particular, it is advantageous to reduce the edge area by approx. Apply 50% more lubricant.
  • a hollow profile blank with a square cross-section was pressed from an AlMgSi 0.5 material, the dimensions of the blank being as follows: external dimensions 30 ⁇ 30 mm 2 , wall thickness 2 mm, corner radius 2 mm, length 155 mm.
  • the tensile strength for AlMgSi 0.5 is approx. 200 N / mm 2 .
  • the blank was heated in an annealing furnace to 400 ° C. for 100 minutes before being pressed and then in air cooled down.
  • the press processing took place after approx. 3 hours.
  • a preload pressure of 130 bar was set for this (at the beginning of the pressing process), and the maximum internal pressure which is reached in the second half of the process phase where large expansions of the workpiece material were required was 2000 bar.
  • the pressing speed was 5 mm / s, and the counter-holding force of the one counter-holding die for the production of a workpiece with one branch, square as the starting profile, was 10 kN.
  • the workpiece produced was a T-piece, similar to that shown in FIG. 3, with a branch length of 53 mm (measured against the rear wall) and the workpiece had a final length of 90 mm. In the area the corner radius was 3mm.
  • pressure valve 14 or 14 ' A wide variety of conventional pressure valve types can be used as pressure valve 14 or 14 ', such as in particular also electromagnetically in addition to the hydraulically operated pressure valve 14 ′ shown in FIG. 7 actuated pressure valves.
  • the control and regulating unit 30 can furthermore in a conventional manner with corresponding electrical Circuits are realized, such as in particular A / D converters, D / A converters, comparators and / or microprocessors.
  • electrical Circuits such as in particular A / D converters, D / A converters, comparators and / or microprocessors.
  • Such regulating and control units are known per se in conventional presses, so that a detailed explanation can be omitted here.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur innendruckgestützten Umformung von metallischen Hohlprofilen in Werkzeugen zum mit Ausbuchtungen, Aushalsungen, Abzweigungen oder dergl. versehenen Werstücken, wobei dem Inneren eines im Werkzeug angebrachten Rohlings, der an seinen Stirnseiten mit zumindest einem beweglichen Preßstempel und einem stationären Gegenhalte-Werkzeugteil, vorzugsweise mit zwei beweglichen Preßstempeln, in Eingriff gebracht wird, ein flüssiges Druckmittel zugeführt wird, der Rohling mit Hilfe des oder der Preßstempel(s) unter Ausbauchen in zumindest einen Hohlraum im Werkzeug hinein gepreßt wird und der Druck des Druckmittels im Inneren des durch den Preßstempel und stationären Gegenhalte-Werkzeugteil bzw. die Preßstempel abgeschlossenen Rohlings in Abhängigkeit vom Prozeßfortshritt beim Pressen, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Preßstempel-Weg, gesteuert wird.
Es ist bekannt, innendruckgestützte Umformverfahren für rohrförmige Werkstücke aus duktilen Stählen, mit kreisförmigem Querschnitt, einzusetzen, um aus diesen rohrförmigen Rohlingen T-Stücke herzustellen. Bei dieser Art von Unformtechnik wird das Werkstück durch ein vorgegebenes Werkzeug (auch Matrize oder Außenform genannt) von außen her und durch hohe Druckmittel-Drücke von der Innenseite her gestützt. Die Verformung wird dabei mit Hilfe von Preßstempeln durchgeführt, und im Zuge dieser Verformung oder dieses Verpressens werden Teile des rohrförmigen Rohlings in einen Hohlraum des Werkzeugs ausgebaucht und hineingeformt. Beispielsweise zeigen die FR-A-1 048 482 und die US-A-3 350 905 derartige Umformtechniken, wobei gemaß der FR-A-1 048 482 der Druck des Druckmittels im Inneren des Werkstücks gleich dem Druck, mit dem die Preßstempel beaufschlagt werden, gehatten oder aber mit Hilfe eines Reduzierventils auf einen demgegenüber kleineren Wert beschränkt wird; gemäß der US-A-3 350 905 kann dagegen dieser Innendruck mit Hilfe von festen Steuerkurven, die von einer Rolle zwecks Ansteuerung einer Druckmittelpumpe abgetastet werden abhängig von der Position der Preßstempel geändert werden, um einen überhöhten Innendruck und damit eine Zerstörung des Werkstückes während des Fortschreitens des Umformvorganges zu vermeiden. Aus der EP-A-36 365 ist schließlich ein Verfahren der eingangs angeführten Art bekannt, wobei im Hinblick auf immer vorhandene Gefügeunregelmäßigkeiten und Wanddickenunterschiede in den Ausgangsrohren ein möglichst geringer Ausschuß bei der Druckumformung dadurch erreicht werden soll, daß zumindest einmal bei einem vorherbestimmten Wert der Längsverdichtung, also des Preßstempel-Weges, der Druck des Druckmittels im Werkstück-Inneren und/oder die Querverformung, also der Weg eines Gegenhalte-Stempels im Werkzeug-Hohlraum, in den hinein das Werkstück ausgebaucht wird, gemessen wird bzw. werden und abhängig vom Meßergebnis das Verhältnis Innendruck zu Längsverdichtung neu festgelegt wird, und zwar auf Basis von zuvor an verschiedenen Rohlingstypen durchgeführten Experimenten.
Die bekannten Techniken können bisher jedoch nur für ganz bestimmte Werkstücke bzw. Rohlinge, insbesondere mit Kreisquerschnitt, und überdies nur, wenn sie aus ganz bestimmten Werkstoffen bestehen, nämlich duktilen Stählen, mit einer Sprödbruchzähigkeit um 100 MN · m-3/2, angewandt werden; bei anderen Rohlingen, mit nicht-runden Querschritten, etwa quadratischen, rechteckigen Querschnitten, und/oder bei anderen Werkstoffen, wie etwa hochfesten Aluminiumlegierungen (die eine Sprödbruchzähigkeit von unter 30 MN · m-3/2 aufweisen), ist eine derartige innendruckgestützte Umformung bisher wegen der geringen Duktilität bzw. wegen der Schwierigkeiten, die beim Fließen des Werkstoffmaterials in Formteile großer Klümmung (d.h. mit kleinem Krümmungsradius) auftreten, praktisch nicht möglich gewesen, da es hier zum frühzeitigen Reißen des Werkstoffes kommt.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Technik vorzusehen, mit der auch Rohlinge mit unrundem Querschnitt bzw. aus derartigen spröden Materialen, wie etwa hochfesten Alumiumimlegierungen, einem innendruckgestützen Umformverfahren unterzogen werden können, um so T-Stücke, Anschlußstücke, Verzweigungsstücke, Knotenstücke und dergl. herstellen zu können. Dabei wird insbesondere angestrebt, Werkstücke zu erzeugen, die in den entsprechenden Bereichen einen Oberflächenkrümmungsradius aufweisen, der kleiner ist als 10 % des Ersatzdurchmessers Ders des Außenquerschnittes Q dieses Rohlinges, wobei dieser Ersatzdurchmesser Ders = 2 · Q/π ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in Prozeßphasen mit kleinen Dehnungen des Werkstoffes der Druck des Druckmittels so eingestellt wird, daß die aus dem räumlichen Spannungszustand im Werkstück gebildete Vergleichsspannung im wesentlichen gerade die Formänderungsfestigkeit des Werkstoffes erreicht, wogegen in Prozeßphasen mit großen Dehnungen der Druck des Druckrnittels erhöht wird, um die Bruchdehnung des Werkstoffs durch Absenken der mittleren Spannung ausreichend hinaufzusetzen. Mit einer derartigen Drucksteuerung des Drucks des - flüssigen - Druckmittels im Inneren des Rohlings während des Preßvorganges kann je nach Art und Dimension des herzustellenden Werkstuckes, insbesondere je nach Wandstärke des Rohlings, nach Querschnitt des Rohlings usw., das Fließen des Materials ohne Reißen gewährleistet werden, wobei die Innendruckführung beim Fließen des Materials in Formteile großer Krümmung von entscheidender Bedeutung ist. Dabei gilt allgemein, daß der Innendruck umso höher einzustellen ist, je größer die Wandstärken des Rohlings sind, und/oder je kleiner die Formkrümmungsradien sind, denen beim Verformen des Rohlings gefolgt werden muß. Auch bei kleinen Werkstück- bzw. Rohling-Durchmessern ist der Innendruck vergleichsweise hoch zu bemessen. Grund hierfür sind die in solchen Fällen auftretenden großen Vergleichsdehnungen (nach Tresca oder Mises) an einzelnen Punkten des Werkstückes, so daß durch Absenkung des hydrostatischen Spannungsanteiles (Vergrößerung des hydrostatischen Druckes) die mögliche Vergleichsbruchdehnung angehoben werden muß (Druckspannungen werden negativ gerechnet).
Dabei ist es bei Anwendung der erfindungsgemäßen Technik erstmals möglich, vor allem dünnwandige, hochfeste Aluminiumteile nicht-runden Querschnitts mit praktisch beliebig geformten Ausbuchtungen herzustellen. Derartige Werkstücke können beispielsweise als Knotenstücke bei sogenannten "Spaceframes" (Rahmenkonstruktionen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die mit mit Aluminiumplatten beplankt werden) in der Fahrzeugkarosserietechnik verwendet werden, wobei dann gerade oder gebogene Stäbe oder Profile in Knotenstücke eingeführt und darin verschweißt oder verklebt werden.
Mehr im Detail wird die Steuerung des Druckes des Druckmittels während der Umformung derart erfolgen daß in Prozeßphasen, in denen ein beginnendes Ausbauchen, gegebenenfalls ein Anformen des Werkstückes an variable (bewegliche) Werkzeugteile, erfolgt und die auftretenden Vergiechsdehnungen klein sind, der Druck zusammen mit den durch die Preßstempel hervorgerufenen Spannungen im Werkstück auf den einachsigen Spannungszustand durch Bildung der sog. Vergleichsspannung (nach Tresca oder Mises) modellmäßig ausgebildet die Formänderungsfestigkeit des Werkstoffes erreicht (bei den gegebenen Spannungsverhältnissen der nächste Punkt auf der sog. Hyperfließfläche im Spannungsraum, welche bei plastischer Verformung gemäß der Fließbedingung von Tresca (schiefes Sechskantprisma) oder Mises (schiefer elliptischer Zylinder) alle während des Fließens denkbaren Spannungszustände umaßt); dagegen wird in Prozeßphasen, in denen große Dehnungen auftreten, beispielshalber zum Nachschub von Material in ausgeformte Werkstücktiele, der Druck zu jedem Zeitpunkt mindestens so groß gehalten, daß der insgesamt im Werkstück aus dem räumlichen Spannungszustand gebildete resultierende hydrostatische Spannungsanteil (negativ), bezogen auf die Formänderungsfestigkeit gemäß der entsprechenden Werkstoffkennlinie, eine Bruchdehnung besitzt, die größer ist als die maximal am Werkstück in diesem Zeitpunkt auftretende Vergleichsdehnung.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Drucksteuerung während des Verpressens der Rohlinge hat es sich für einen effektiven Preßvorgang als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Druckmittel am Beginn des Preßvorganges auf einen niedrigen Überdruck, z.B. in der Größenordnung von 300 bis 600 bar, und gegen Ende des Preßvorganges auf den Maximalwert, beispielsweise in der Größenordnung von einigen kbar, gebracht wird. Dabei kann der Innendruck des Rohlings, d.h. der Druck des Druckmittels, beispielsweise während ungefähr der ersten Hälfte des Preßvorganges (d.h. der Hälfte des Weges des oder der Preßstempel) mehr oder weniger konstant auf ungefähr einem Drittel bis zu einem Fünftel das gegen Ende des Preßvorganges vorgesehenen Maximalwertes gehalten werden, und ungefähr ab der Hälfte des Preßvorganges kann dann der Innendruck allmählich, beispielsweise linear, bis zum Maximaldruck zum Ende das Preßvorganges hin gesteigert werden. In jedem Fall muß während des anfänglichen Ausbauchens durch den eingestellten Innendruck die Vergleichsspannung resultierend aus Innendruck und den Spannungen aus den Preßkräften und Reibungskräften die Formänderungfestigkeit des Materials erreichen.
Weiters hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Druckmittel während das Preßvorganges auf einen Maximaldruck von mindesten 80% der Zugfestigkeit des Werkstoffes des Rohlings gebracht wird. An sich ist bei der Festlegung des Wertes für den Maximaldruck selbstverständlich nicht nur der Werkstoff selbst, sondern auch die Materialstärke sowie auch der Querschnitt des Werkstückes zu berücksichtigen, wie dies bereits vorstehend erwähnt worden ist. Die Drucksteuerung hängt im Detail von der Art und Form des herzustellenden Werkstückes ab, und es kann hier mit Vorteil vorgesehen werden, daß der Druck des Druckmittels in Preßphasen, in denen der Werkstoff des Rohlings kleine Krümmungsradien des Werkzeugs umfließt, je nach Wandstärke auf 5%-40% des Maximaldrucks beim Pressen eingestellt wird (die Vergleichsspannung erreicht die Formänderungsfestigkeit). Der maximale Innendruck wird dagegen außerhalb dieser Phasen erreicht.
Für die erfindungsgemäß herzustellenden Werkstücke bzw. zu verarbeitenden Werkstoffe (die eine geringere Duktilität als duktile Stähle aufweisen) ist es sodann von ganz besonderem Vorteil, wenn das Druckmittel bereits vor dem Pressen des Rohlings auf einen erhöhten Vorspanndruck, vorzugsweise 5%-20%, insbesondere ungefähr 10%, des beim Pressen erreichten Maximaldrucks, z.B. auf einen Wert in der Größenordnung von 100 bis 1000 bar, gebracht wird. Eine derartige Vorspannung des Druckmittels ist insbesondere für das anfängliche problemfreie Ausbauchen des Rohlings von Bedeutung, wobei der Wert des Vorspanndruckes abhängig von der Knickspannung des zu verformenden Werkestoffes gewählt wird; insbesondere ist der Innendruck so festzulegen, daß kein Einknicken an der Stelle der herzustellenden Ausbauchung erfolgt, was bei einer fehlenden Vorspannung des Druckmittels insbesondere bei Verarbeitung von im Verhältnis zu den übrigen Abmessungen des Hohlprofils kleinen Wandstärken passieren könnte.
Um während das Preßvorganges eine exakte Drucksteuerung zu ermöglichen, ist es auch vorteilhaft, wenn der Rohling vor dem Preßvorgang Gaseinschlüsse-frei mit dem Druckmittel gefüllt wird, und wenn das Druckmittel durch eine Pumpe auf einen erhöhten Druck gebracht wird. Würden sich im - flüssigen - Druckmittel Gaseinschlüsse befinden, so wäre aufgrund der Komprimierung und des Expandierens der Gaseinschlüsse die jeweilige gewünschte Druckerhöhung bzw. -reduktion nicht zu erzielen und damit die angestrebte exakte Drucksteuerung beeinträchtigt.
Um auch aus anderer Sicht, nämlich der Sicht des Verschließens des Rohlings während des Preßvorganges, um den erhöhten Innendruck sicherzustellen, die gewünschte exakte Drucksteuerung zu gewährleisten, ist eine möglichst gute Abdichtung des Rohlings an dessen Stirnseiten erforderlich. Beispielsweise können zum dichten Abschließen des Rohlings Preßstempel mit stufenförmigen Absätzen an den Stirnseiten-Rändern eingesetzt werden, die eine Höhe von 5%-100% der mittleren Wandstärke des Rohlings aufweisen, und mit denen der Werkstoff des Rohlings zur Herbeiführung einer metallischen Dichtung plastifiziert wird.
Bevorzugt werden die Rohlinge vor dem Preßvorgang einer Wärmebehandlung unterzogen, um dadurch den Werkstoff duktiler zu machen. Dieser weist dann aufgrund seiner Gefügestruktur eine deutlich erhöhte Bruchdehnung auf. In diesem Zusammenhang ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von Rochling-Werkstoffen, die Auslagerungen von Legierungsbestandteilen an die Korngrenzen aufweisen, insbesondere von hochtesten Aluminiumlagierungen, vor dem Preßvorgang eine Wärmebehandlung derart durchgeführt wird, daß durch Einlagerung dieser Legierungsbestandteile in die Korngitter die Duktilitat des Werkstoffs erhöht wird, und daß der Preßvorgang innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, z.B. 1h bis 4h nach der Wärmebehandlung, jedoch bevor es zu einer erneuten Auslagerung der Legierungsbestandteile an die Korngrenzen kommt, durchgeführt wird. Beispielsweise hat sich gezeigt daß es von Vorteil ist, wenn Rohlinge aus AlMgSi-Legierungen bei ca. 400°C ungefähr 100 min lang in einem Glühofen erwärmt, anschließend in Luft gekühlt und ca. 3h nach Ende der Glühofen-Wärmebehandlung verpreßt werden. Die Zeitdauer des eigentlichen Preßvorganges liegt dabei im Bereich von einer oder einigen wenigen Minuten, oft auch unter einer Minute, einschließlich des vorhergehenden Füllens mit dem Druckmittel. Die reine Preßzeit kann daher manchmal auch bloß 20 s bis 30 s betragen.
Bei manchen herzustellenden Werkstücken ist es denkbar die harzustellende Ausbuchtung einfach in einen entsprechenden Hohlraum in der Matrize oder im Werkzeug hineinzuverformen, d.h. auszubauchen; für einen exakten Formvorgang, insbesondere bei längeren Ausbuchtungen oder Abzweigungen, wird jedoch beim Verpressen des Rohlings in dem (jeweiligen) Werkzeug-Hohlraum, in den das Material des Rohlings hineinverformt wird, mit einem variablen Gegenhalte-Werkzeugteil, der eine Querschnittsform entsprechend dem (jeweiligen) auszubauchenden Teil aufweist, gegengahalten, und es ist hier erfindungsgemäß von besonderem Vorteil, wenn mit dem (jeweiligen) variablen Werkzeugteil druck-und/oder weggesteuert gegengehalten wird und die dabei in das Werkstück eingeleitete Kraft so bemessen wird, daß die insgesamt im Werstück auftretende mittlere Spannung (der hydrostatische Spannungsanteil) soweit vermindert wird, daß die dadurch festgelegte Bruchdehnung größer wird als die größte im betreffenden durch den variablen Werkzeugteil abgestützten Werkstückteil auftretende Dehnung. Die exakte Druck- oder Wegführung des oder der variablen Gegenhalte-Werkzeugteile zur Abstützung ausgebuchteter Werkstückteile ist umso wichtiger, je spröder der Werkstoff und je kleiner die Wandstärke ist. Die Gegenstützung erzeugt in der anliegenden Außenfaser das Werkstückes einen hydrostatischen Spannungsanteil, der die mögliche, ausnützbare Bruchdehnung (insbesondere bei spröden Werkstoffen) entscheidend erhöht, so daß die in diesen Bereichen auftretenden größten Vergleichsdehnungen kleiner als die Bruchdehnung werden. Auf diese Weise wird ein Bersten des Werkstückes verhindert. Ein derartiges Gegenharten ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Rohling eine Wandstärke kleiner als 10% des Ersatzdurchmessers Ders (wie oben definiert) aufweist bzw. wenn Werkstoffe mit einer Sprödbruchzähigkeit kleiner als 50 MM · m-3/2 bzw. Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit Rm kleiner als 350 N/mm2 verwendet werden. Auch ist ein derartiges Gegenhalten günstig im Fall von bezüglich des Querschnittes ungleichmäßig herzustellenden Ausbuchtungen, die auf Teilen der Oberfläche kleine Krümmungsradien, insbesondere Meiner als 10% des genannten Ersatzdurchmessers Ders, aufweisen. Insbesondere ist nun hier erfindungsgemäß, wie vorstehend definiert, eine Steuerung der gegen das Werkstück gerichteten, von den variablen Gegenhalte-Werkzeugteilen übertragenen Kraft anzustreben, bei der in der am jeweiligen variablen Gegenhaltewerkzeug anliegenden Faser (der Außenfaser) das Werkstückes ein auf die Formänderungsfestigkeit bezogener hydrostatischer Spannungsanteil hervorgerufen wird, dessen Bruchdehnung gemäß der entsprechenden Werkstoffkennlinie in jedem Zeitpunkt größer ist als die größte dort auftretende Vergleichsdehnung.
Von Vorteil ist auch, wenn die durch den variablen Gegenhalte-Werkzeugteil aufzubringende Kraft zu jedem Zeitpunkt des Prozesses, insbesondere auch bereits bei Prozeßbeginn, mindestens 5% der durch den Innendruck auf den auszubauchenden Teil ausgeübten Kraft beträgt.
Weiters hat es sich als günstig erwiesen, wenn im Fall der gleichzeitigen Herstellung von mehreren Ausbuchtungen, Abzweigungen oder dergl. und demgemäß der Verwendung von mehreren variablen druckgesteuarten Gegenhalte-Werkzeugteilen zusätzlich zu deren Drucksteuerung eine Wegüberwachung bzw. -messung durchgeführt wird, um bei ungleich schnellen Bewegungen der variablen Gegenhalte-Werkzeugteile ihre Drucksteuerung anzupassen.
In Formteilen großer Krümmung, z.B. abgerundeten Ecken eines rechteckigen oder spitzwinkeligen Ausbuchtungsteiles, ist auch die Prozeßschmierung von Bedeutung, da her im Verhältnis zum umgeformten Materialvolumen eine große Reibungsfläche besteht. Ein entsprechender Schmiermittelauftrag ist also insbesondere an Kanten der Halbzeuge wesentlich. Es hat sich hier als vorteilhaft erwiesen, wenn in Zonen mit kleinem Oberflächen-Krümmungsradius von Rohling bzw. Werkzeug, insbesondere an abgerundeten Kanten, um mindestens 50% mehr Schmiermittel aufgetragen wird als an den übrigen Teilen von Rohling bzw. Werkzeug.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der angegebenen Innendrucksteuerung könnte an sich eine Druckmittelquelle eingesetzt werden, von der das Druckmittel mit steuerbarem Druck abgegeben wird, wobei dieses Druckmittel variablen Drucks dem Inneren des Rohlings zugeführt wird. Hierbei könnten jedoch Komplikationen bei einer etweigen Rücknahme des Innendrucks während des Prozeßverlaufes auftreten, und es wäre in der Regel eine entsprechende Umschaltventileinrichtung mit Rücklauf in einen Sumpf oder dergl. erforderlich.
Bevorzugt führt jedoch die Druckmittel-Abführleitung durch den (anderen) Pressstempel oder gegebenenfalls den stationären Gegenhalte-Werkzeugteil, und in diese Druckmittel-Abführleitung ist die Druckeinsteleinrichtung aufgenommen.
Es wird also das Druckmittel von einer Druckmittelquelle her mit an sich konstantem, hohen Druck geliefert, und in der Abführleitung wird die Druckeinstellung vorgenommen, wobei hierfür vorzugsweise einfach ein gesteuertes Druckventil eingesetzt wird. Für die Druckmittelzuführung kann einfach als Druckmittelquelle eine das Druckmittel mit vorgegebenem hohen Druck liefernde Pumpe vorgesehen sein, und dann ist in der Druckmittel-Zuführleitung vorteilhafterweise ein Rückschlagventil aufgenommen, so daß das Druckmittel nicht aus dem Inneren des Rohlings zur Pumpe hin zurückgedrückt werden kann.
Wie erwähnt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals ein Werkstück aus sprödem Werkstoff, etwa mit einer Sprödbruchzähigkeit von unter 30 MN.m-3/2, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, erhalten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigen im einzelnen:
  • Fig.1 schematisch das innendruckgestützte Umformen von kreisrunden rohrförmigen Werkstücken aus duktilen Stählan in einem Werkzeug, wie dies an sich bekannt ist;
  • Fig.2 in einem schematischen Detailschnitt die Dehnung eines Werkstückes in einer Zone großer Oberflächenkrümmung;
  • Fig.3 schematisch eine Vorrichtung zum innendruckgestützten Umformen mit Innendrucksteuerung gemäß der Erfindung;
  • Fig.4 eine schematische Seitenansicht des dabei verwendeten Werkzeuges, in Richtung des Pfeils IV in Fig.3;
  • Fig.5 einen schematischen Querschnitt durch dieses Werkzeug, gemäß der Linie V-V in Fig.4;
  • Fig.6 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer möglichen Innendruck-Steuerung während des Prozeßverlaufes, abhängig vom Weg der Preßstempel;
  • Fig.7 ein Schema zur detaillierteren Veranschaulichung einer Vorrichtung ähnlicher jener von Fig.3, wobei beispielsweise ein Werkstuck mit zwei Abzweigungen hergestellt wird;
  • die Fig.8 bis 10 je eine Flußdiagramm zur Veranschaulichung von verschiedenen Steuer- und Regelungsmöglichkeiten während des innendruckgestützten Umformens von Werkstücken mit Innendrucksteuerung; und
  • Fig.11 schematisch eine modifizierte Umform-Vorrichtung.
    • Gemäß Fig.1 wird in an sich herkömmlicher Weise ein Rohling aus einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt zu einem Werkstück 1 mit einer Ausbauchung in Form eines T-Stückes umgeformt, wobei das Werkstück 1 in einem stationären Werkzeug 2 mit Hilfe von stirnseitig angelegten Preßstempeln 3, 4 gepreßt wird. Die Preßkraft, die mit den Preßsfempeln 3, 4 auf das Werstück 1 ausgeübt wird, ist mit Pfeilen 5 bzw. 6 schematisch veranschaulicht. Das Werkstück 1 wird vor dem Umformen oder Verpressen mit einem flüssigen Druckmittel gefüllt, wonach die beiden Preßstempel 3, 4 mit den Stirnseiten des Werkstuckes 1 in Eingriff gebracht werden und der Preßvorgang beginnt. Beim Pressen baut sich ein entsprechender Innendruck im Werkstuck 1 auf, der den Werkstoff des Werkstückes 1 von innen her stützt, wogegen eine äußere Abstützung durch das Werkzeug 2 gegeben ist. Auf diese Weise wird das Material des Werkstückes 1 zum Fließen in den Hohlraum 7 im Werkstück 2 gebracht.
    In der Vergangenheit konnte ein derartiges innerdruckgestütztes Umformen nur bei duktilen Stahlen als Werkstoff sowie weiters für Rohlinge mit kreisrundem Rohrquerschnitt durchgeführt werden, wogegen spröde Werkstoffe, wie insbesondere Aluminiumwerkstoffe, sowie Werkstücke mit anderen Querschnittsformen, wie etwa quadratischen oder rechteckigen Querschnittsformen, einer solchen Umformung nicht unterzogen werden konnten, da es zuvor zu einem Einknicken. Reißen oder Bersten des Werkstoffes kam Vor allem war es auch nicht möglich, das Material des Werkstückes um vergleichsweise scharfe Kanten, mit kleinen Krümmungsradien, zum Fließen zu bringen. In diesem Zusammenhang sei auf die schematische Darstellung in Fig.2 verwiesen, in der ein Abschnitt des Werkstückes 1 in einem Kantenbereich des Werkzeuges 2 veranschaulicht ist, wo ein relativ kleiner Krümmungsradius gegeben ist. Das Werkstück 1 wird von der Innenseite her mit Hilfe des Druckmittels, das in das Werkstuck 1 eingefüllt wurde, abgestützt. wie in Fig.2 schematisch mit Pfeilen 8 veranschaulicht ist. Für die Dehnung ϕ im Material des Werkstückes 1 gilt dabei im Bereich der Außenfaser 9 bzw. der Innenfaser 10 die folgende Beziehung: Innenfaser : ϕi = In (1 + w/(2r+w)) Außenfaser : ϕa = In (1 - w/(2r+w)) Dabei bezeichnet w wie erwähnt die Wandstärke das Werkstückes 1, und mit r ist der Krümmungsradius bezeichnet, um den der Werkstoff herum am Werkzeug 2 entlang fließt. Die neutrale Faser ist im übrigen in Fig.2 bei 11 angegeben.
    Aus diesen Beziehungen wie auch aus Fig.2 ist ersichtlich, daß die Dehnung an der Innenfaser 10 um so größer ist, je kleiner der Krümmungsradius r ist. Demgemäß besteht an dieser Stelle ein hohes Risiko eines Reißens oder dergl., wobei diesem Risiko jedoch durch entsprechend bemessene Innendruck-Abstützung entgegengewirkt werden kann.
    Bei der innendruckgestützten Umformung macht man sich die Erkenntnis zunutze, daß die Verformbarkeit eines Materials nicht nur vom Werkstoff selbst, sondern auch in starkem Ausmaß von den Beanspruchsbedingungen abhängt. Dias ergibt sich beispielsweise aus der in der Literatur in Zusammenhang mit der Theorie der plastischen Verformung bekannten Beziehung für die Fließbedingung kf (nach Mises) kf = 3/2 · (σx - σm)2 + (σy - σm)2 + (σz - σm)2
    Darin sind σx, σy und σz die Spannungen in den Hauptspannungsrichtungen (Spannungshauptachsen) x, y und z, und σm ergibt sich als mittlere Spannung wie folgt: σm = (σx + σy + σz)/3
    Die mittlere Spannung σm wird in der Literatur auch als hydrostatischer Spannungsanteil bezeichnet.
    Die Formänderungsfestigkeit kf ist in der Regel nur von der erfolgten Formänderung sowie von der der Temperatur beim Umformen abhängig, jedoch kann in besonderen Fallen auch die Umformigeschwindigkeit in die Formänderungsfestigket kf eingehen.
    Wesentlich für die Erfindung ist der physikalische Effekt, daß die Druckdehnung (das ist die größte mögliche positive oder negative Dehnung, die Material, Temperatur und Spannungszustand zulassen) eines plastizierbaren Werkstoffes durch Absenken des hydrostatischen Spannungsanteiles (eventuell bezogen auf die Formänderungsfestigkeit, um die Verformungsvorgeschichte zu erfassen) erheblich erhöht werden kann. Je negativer der hydrostatische Spannungsanteil ist (allseitiger Druck), desto besser unterstützt er durch Gefügeordnung die plastichen Umformeffekte (Korngrenzengleiten, Versetzungen etc.). Rein theoretisch wäre es demgemäß möglich, beliebige Dehnungen zu erzielen, wobei der Spannungszustand in jedem Punkt des Werkstückes immer auf der sog. Hyperfließfläche, die durch obige Gleichung für kf nach Mises festgelegt ist, liegen muß. Je größer also die auftretenden Dehnungen sind, insbesondere wenn Material in ausgebuchtete Teile nachgeschoben werden muß, desto größer muß auch der Innendruck des flüssigen Stützmediums sein (er geht ja als negative Spannung in die mittlere Spannung im Werkstück ein).
    Wie bereits erwähnt bestehen im Umformverhalten große Unterschiede zwischen Stahl-Werkstoffen und hochfesten Aluminiumlegierungen, die insbesondere eine Sprödbruchzähigkeit unter 30 MN · m-3/2 aufweisen. Nichtsdestoweniger können auch derartige spröde Werkstoffe sowie weiters auch Werkstücke mit unrunden Querschnitten einer innendruckgestützten Umformung unterzogen werden, wenn auf Basis der vorstehend angedeuteten Erkenntnisse eine entsprechende Innendrucksteuerung - insbesondere in Verbindung mit einer vorhergehenden werkstoffgerechten Wärmebehandlung (Weichglühen) - vorgenommen wird.
    In Fig.3 ist nun ganz schematisch eine Anordung zum innendruckgestützen Umformen mit einer derartigen Drucksteuerung veranschaulicht. Dabei sind in Fig.3 - ebenso wie in der noch zu erläuternden Fig.7 - den jeweiligen Komponenten von Fig.1 entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Im einzelnen befindet sich wiederum ein Werkstück 1 im Inneren eines Werkzeuges 2, und von oben bzw. unten werden Preßstempel 3 bzw. 4 herbeigeführt, um das Werkstück 1 zu pressen und dabei in einen Werkzeug-Hohlraum 7 hinaus auszubauchen, wie dies in Fig.3 veranschaulicht ist. Im Werkzeughohlraum 7 ist zur Abstützung des ausgebuchteten Werkstück-Teiles 12 ein beweglicher Werkzeugteil 13 zum Gegenhalten angeordnet, wobei dieser bewegliche oder variable Gegenhalte-Werkzeugteil 13 nachstehend der Einfachheit halber Gegenhaltestempel bezeichnet werden soll. Die Gegenhaltekraft dieses Gegenhaltestempels 13 wird mit Fg angegeben, wogegen die Preßkraft der Preßstempel 3, 4 mit Fp1 bzw. Fp2 angegeben wird. Der Innendruck im Inneren des Werkstuckes 1 ist mit pi angegeben, wobei dieser Innendruck pi während des Prozeßverlaufes vorzugsweise vom Weg s der Preßstempel 3, 4 abhängig gesteuert wird. Demgemäß sind den Preßstempeln 3, 4 in der Zeichnung nicht näher veranschaulichte Weggeber von an sich herkömmlicher Bauart zugeordnet, um so jederzeit den Weg s der Preßstempel 3, 4 zu erfassen. Abhängig von diesem Weg s wird der Innendruck pi(s) mit Hilfe eines Druckventils 14 eingestellt, welches in einer durch den oberen Preßstempel 3 hindurchführenden Druckmittel-Abführleitung 15 angeordnet ist, wobei ihm ein Steuerventil 16 vorgeschaltet ist, welches zwei Stellungen - Füllen bzw. Pressen - besitzt.
    Durch den anderen - unteren - Preßstempel 4 verläuft eine Druckmittel-Zuführleitung 17, durch die eine regelbare Pumpe 18, die von einem Motor 19 angetrieben wird, das flüssige Druckmittel - vorzugsweise einfach Wasser - dem Inneren des Werkstückes 1 zuführt. In der Druckmittel-Zuführteilung 17 ist weiters, um ein Zurücktreiben des Druckmittels zur Pumpe 18 zu verhindern, ein Rückschlagventil 20 angeordnet.
    Aus den Fig.4 und 5 geht in Verbindung mit Fig.3 die Gestalt der Matrize oder des Werkzeuges 2, auch Form genannt, mehr im einzelnen hervor, wobei ersichtlich ist, daß das außen kreisrunde Werkzeug 2 einen länglichen Innenraum oder Formraum 21 von quadratischem Querschnitt, für das einen quadratischen Querschnitt aufweisende Werkstück 1, sowie weiters den davon abzweigenden Hohlraum 7 von rechteckigem Querschnitt für die herzustellende Ausbuchtung oder Abzweigung 12 das Werkstückes 1 aufweist.
    Im Betrieb wird ein Rohling, d.i. ein Hohlprofil mit quadratischem Querschnitt, aus dem das Werkstück 1 mit der Abzweigung 12 geformt werden soll, in das Werkzeug 2 eingelegt, wonach die beiden Preßstempel 3, 4 in Eingriff mit den Stirnseiten des Rohlings gebracht werden, wobei ein dichtes Abschließen an diesen Stirnseiten mit Hilfe der Preßstempel 3, 4 herbeigeführt wird. Zu diesem Zweck können die Preßstempel 3, 4 an ihren Stirnseiten am Außenumfang abgestuft sein, d.h. stufenförmige Absätze aufweisen, die insbesondere eine Höhe im Bereich von 5% bis 100% der mittleren Wandstärke des Rohlings aufweisen, und mit denen das Material des Rohlings beim Pressen plastifiziert wird, wobei eine metallische Dichtung herbeigeführt wird.
    Nach diesem Anlegen der Preßstempel 3, 4 an den Rohling wird die Pumpe 18 eingeschaltet, um Druckmittel, insbesondere Wasser, dem Inneren des Rohlings über die Druckmittel-Zuführleitung 17 zuzuführen. Das Ventil 16 auf der Auslaßseite befindet sich dabei in der Stellung "Füllen", wie dargestellt, wobei in dieser Stellung einfach festgestellt werden kann, wann das Druckmittel ausgangsseitig austritt (wie in Fig.3 schematisch mit der Auslaßleitung 22 veranschaulicht ist).
    Das Steuerventil 16 wird dann gemäß der Darstellung in Fig.3 in seine Stellung "Pressen" nach oben verstellt, in der ausgangsseitig eine Verbindung zum Druckventil 14 anstatt zur Auslaßleitung 22 hergestellt wird. Nach erfolgtem Abdichten des Hohlprofils durch die Preßstempel wird mit Hilfe der Pumpe 18 nun der Druck des Druckmittels erhöht, und der Preßvorgang kann durch Antreiben der Preßstempel 3, 4 mit der Preßkraft Fp1 bzw. Fp2 beginnen. Dabei kommt es zu dem erwähnten dichten Verschließen der Stirnseiten des Rohlings durch die Preßstempel 3, 4, durch Plastifizieren des Rohlings-Werkstoffs, und beim Pressen wird der Innendruck pi des Druckmittels durch den Stauchvorgang erhöht. Der Innendruck pi(s) wird dabei wegabhängig mit Hilfe des Druckventils 14 laufend eingestellt, wobei beginnend bei einem Vorspanndruck am Beginn des Pressens zunächst eine Druckerhöhung auf ungefähr den doppelten Vorspanndruck vorgesehen werden kann, wonach in einem nächsten Abschnitt des Prozeßverlaufes beispielsweise ein linearer Druckanstieg auf ungefähr den zehnfachen Druckwert - bis ungefähr zur Mitte des gesamten Preßvorganges, d.h. zum halben Weg der Preßstempel 3, 4- vorgesehen wird; danach wird der Innendruck pi beispielsweise auf diesem nunmehr erreichten Maximalwert konstant gehalten.
    Während des so innendruckgesteuert ablaufenden Verpressens des Werkstückes 1 wird die Ausbauchung oder Abzweigung 12 hergestellt, wobei hier mit dem Gegenhaltestempel 13 mit einer vorzugsweise ebenfalls wegabhängig gesteuerten Gegenhaltekraft Fg gegengehalten wird, um so ein Aufplatzen oder Bersten der Ausbauchung 12 zu verhindern.
    In Fig.6 ist ein Diagramm des Innendrucks pi (in bar) über dem Weg s (in mm) der Preßstempel 3, 4 veranschaulicht, wobei der Innendruck pi allgemein so wie vorstehend dargelegt wegabhängig gesteuert verläuft. Im einzelnen wird am Beginn da Preßvorganges ein Vorspanndruck pv von beispielsweise 130 bar eingestellt, und bei Beginn des Pressens steigt der Innendruck pi auf einen Wert pa von z.b. 250 bar an, der bis zu einem Preßstempel-Weg s von 7,5 mm konstant gehalten wird (Phase der Anformung an den Stempel 13 und beginnenden Ausbuchtung mit noch kleinen Dehnungen). Sodann wird der Innendruck pi linear steigend auf den Endwert oder maximalen Wert pe von beispielsweise 2000 bar erhöht, wobei dieser Abschnitt der Druckerhöhung bei ungefähr der Hälfte des Preßvorganges (Preßstempel-Weg s = 15 mm) endet, wonach der Endwert pe von 2000 bar bis zum Ende des Preßvorganges (s = 30 mm) gehalten wird. (Phase der großen Dehnungen während des Nachschubes von Material in die ausgeformte Ausbuchtung).
    Mit einem grundsätzlich ähnlichen Innendruckverlauf wie gemäß Fig.6 kann auch ein Werkstück 1' mit zwei Abzweigungen 12', 12'' hergestellt werden, wie dies im Schema von Fig.7 veranschaulicht ist. Das Werkzeug 2' hat in diesem Fall zwei Hohlräume 7', 7'' für die Ausbuchungen oder Verzweigungen 12', 12'', wobei in diesen Hohlräumen 7', 7'', entsprechende Gegenhaltestempel 13', 13'' als variable Werkzeugteile mit einer Anpreßkraft Fg.1(s) bzw. Fg2(s) beweglich gehalten sind. Die Preßstempel 3, 4 werden an das Werkstück 1' mit einer Preßkraft Fp1 bzw. Fp2 angelegt. Zum Füllen des Werkstückes 1' mit Wasser ist eine Zuleitung 23 vorgesehen, an die die Druckmittel-Zuführleitung 17 über ein Wegeventil 24 sowie einerseits über die Pumpe 18 bzw. andererseits direkt über ein Rückschlagventil 25 angeschlossen ist.
    Auslaßseitig ist an die Druckmittel-Abführleitung 15 wiederum ein Druckventil 14' angeschlossen, welches im vorliegenden Fall über einen Hydraulik-Steuerkreis mit einer regelbaren Pump 26 und einer Steuerleitung 27, in der ein Rückschlagventil 28 aufgenommen ist, druckmäßig eingestellt werden kann.
    Weiters ist eine Steuerungs- und Regelungseinheit 30 vorhanden, die die Prozeßwasser-Vorspannpumpe 18 sowie die hinsichtlich des Ausgangsdrucks einstellbare Pumpe 26 im Steuerkreis für das Druckventil 14', zwecks Einstellung des jeweiligen Innendrucks pi, ansteuert. Eingangsgrößen für die Steuer- und Regeleinheit 30 sind der Weg s der Preßstempel 3, 4 (in der Regel genügt es, den Weg eines Preßstempels, z.B. 3, aufzunehmen, und der Einheit 30 zuzuführen) sowie der aus Sicherheitsgründen ebenfalls gemessene Innendruck pi(s). Für die Preßstempl 3, 4 sowie die Gegenhaltestempel 13', 13'' kann je nach Wunsch eine Steuerung oder Regelung vorgesehen werden, und demgemäß werden die Größen Fp1, Fp2, Fg1 und Fg2 gemäß Fig.7 sowohl erfaßt als auch eingestellt, z.B. einfach wegabhängig oder mit einer zusätzlichen Nachregelung (Istwert-Sollwert-Vergleich), wie dies nachstehend noch näher anhand der Flußdiagramme von Fig.8 bis 10 näher erläutert werden wird.
    Im einfachsten Fall könnte es sich bei der Einheit 30 um eine SPS (Speicher-programmierbare Steuerung) -Einheit handeln, mit der einfach wegabhängig die Preßdrücke (Preßkräfte Fp1, Fp2, Fg1, Fg2) sowie insbesondere der Innendruck pi eingestellt werden. Ein entsprechendes Flußdiagramm ist in Fig.8 gezeigt, das eine derartige einfache wegabhängige Druckführung sowie Gegenhaltekraftführung beinhaltet.
    Im einzelnen erfolgen gemäß Fig.8 nach einem Start des Prozeßablaufes bei 31 im Block 32 die Eingaben für v1 (Ventil für den Peßstempel 3, für die Preßkaft Fp1), für v2 (Ventil für den Preßstempel, 4, für die Preßkraft Fp2), für den Innendruck pi(s), für die Gegenhaltekraft Fg1(s) und für die Gegenhaltekraft Fg2(s).
    Nach dieser Eingabe erfolgt im Block 33 ein Füllen das Werkstückes 1', bis das Druckmittel am Ausgang des Druckventils 14' austritt. Nach diesem Vorgang erfolgt gemäß Block 34 mit Hilfe der Pumpe 18 ein Vorspannen des Druckmittels im Werkstück 1' auf den gewünschten Vorspanninnendruck pv = pi(s = 0) ; nach Erreichen des Vorspanndrucks pv werden - gemäß Block 35 in Fig.8 - die Ventile v1 und v2 gestellt. Damit beginnt der eigentliche Preßvorgang, währenddessen der Weg s des oder der Preßstempel 3, 4 gemessen wird, s. Block 36 in Fig.8. Dabei wird gleichzeitig das Überdruckventll 14' für den Innendruck pi abhängig vom Weg s laufend gestellt, Block 37 in Fig.8. Weiters erfolgt ein Stellen der Ventile für die Gegenhaltestempel 13' und 13'', für die Gegenhaltekraft Fg1(s) und Fg2(s), s. Block 38 in Fig.8. Anschließend wird in Block 39 zyklisch abgefragt, ob der Preßstempel-Weg s den Endwert hiefür erreicht hat, d.h. ob der Preßvorgang beendet werden kann oder nicht. Wenn dies nicht der Fall ist, wird bei 40 wieder zum Block 36 etc. zurückgekehrt, und es erfolgt eine neuerliche Wegmessung, Überdruckventilstellung etc. Ist der Preßstempelweg an seinem Endwert sEnde angelangt, dann folgt nach dem Block 39 das Ende des Prozeßablaufes, wie in Fig.8 bei 41 angedeutet ist.
    Fig.9 veranschaulicht in einem weiteren Flußdiagramm einen gegenüber Fig.8 insofern etwas modifizierten Prozeßablauf, als hier eine innendruckabhängige Regelung für die Gegenhaltestempel-Kräfte Fg1 und Fg2 erfolgt. Die Schritte 31 bis 37 sind gleich wie beim Flußdiagramm gemäß Fig.8, so daß sich eine neuerliche Beschreibung derselben erübrigen kann. Nach dem Schritt 37 (Stellen des Innendrucks pi) erfolgt eine Messung des Innendrucks pi, der Gegenhaltekraft Fg1 des einen Gegenhaltestempels 13' und der Gegenhaltekraft Fg2 des zweiten Gegenhaltestempels 13'' (Block 42 in Fig.9). Danach folgt eine Regelung von Fg1 und Fg2, d.h. abhängig vom Innendruck pi werden ein Sollwert Fg1(pi) und ein Sollwert Fg2(pi) festgelegt und mit dem Istwert Fg1 ist bzw. Fg2ist verglichen. Abhängig vom Istwert-SollwertVergleich werden die Ventile für die Betätigung der Gegenhaltestempel 13' bzw. 13'' eingestellt (Block 43 in Fig.9). Danach wird wieder in Block 39 abgefragt, ob die Preßstempel bereits ihr Wegende erreicht haben, und wenn nein, wird zu Block 39 zurückgekehrt, wenn ja, wird zum Ende 41 gegangen.
    Im durch das Flußdigramm gemäß Fig.10 veranschaulichten Prezeßablauf ist eine andere Modifikation insofern vorgesehen, als hier eine Regelschleife für die Preßkraft Fp1 bzw. Fp2 der Preßstempel 3 bzw. 4 abhängig vom Preßstempelweg s vorgesehen ist. Im einzelnen folgt auf die wiederum gleich ablaufenden Schritte 31 bis 35 ein modifizierter Meßschritt bei 36', wo nicht nur der Preßstempel-Weg s, sondern auch die Preßstempelkräfte Fp1 und Fp2 gemessen werden. Nach dem Einstellen des Innendrucks pi(s) mit Hilfe des Druckventils 14' im Schritt 37 - wie im Schritt 37 gemäß Fig.8 - folgt die im Block 44 veranschaulichte Regelung von Fp1 und Fp2 abhängig vom Preßstempel-Weg s, wobei ein wegabhängiger Sollwert für Fp1 und Fp2 festgelegt wird und ein Istwert-Sollwert-Vergleich durchgeführt wird, wobei die Ventile für Fp1 bzw. Fp2 entsprechend gestellt werden.
    Im Anschluß an diesen Regelungsschritt 44 folgt wiederum, analog wie gemäß Fig.8, das Stellen der Ventile für die Gegenhaltestempel 13' bzw. 13'' (Fg1, Fg2). Der weitere Ablauf ist wieder gleich jenem von Fig.8 oder 9.
    In Fig.11 ist schematisch eine Vorrichtung mit einem Welkzeug 2 ohne variable Werkzeugteile (Gegenhaltestempel) in einem Hohlraum 7 gezeigt, wobei beispielsweise eine halbkugelförmige Ausbuchtung 12 am Werkstück 1' beim Pressen mit Hilfe der Preßstempel 3, 4 erzeugt werden sollen.
    Die Technik der dichten Führung von Druckmittelleitungen durch Preßstempel hindurch, wie im vorliegenden Fall der Druckmittel-Zuführleitung 17 und der Druckmittel-Abführleitung 15 durch die Preßstempel 4 bzw. 3, ist an sich, z.B. von Rohrbiegemaschinen, bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.
    Sofern eine Wärmebehandlung des zu verpressenden Rohlings vor den Preßvorgang gewünscht wird - in der Regel wird eine solche Wärmebehandlung zum Weichglühen bevorzugt -, so hängen die Dauer sowie der Grad der Wärmebehandlung (Temperatur) selbstverständlich vom jeweiligen Rohling, insbesondere vom jeweiligen Werkstoff ab. Üblicherweise wird eine Wärmebehandlung derart durchzuführen sein, daß der Rohling ausreichend lange, z.ß. 1 bis 2 Stunden, in einem Glühofen auf einige 100°C erhitzt wird, wonach man ihn an Luft abkühlen läßt; bevor der so weichgeglühte Werkstoff wieder, durch Auslagerung von Legierungsbestandteilen an die Korngrenzen, an Duklilität verlieren würde, wird dann der Preßvorgang - z.B. ca. 2 oder 3 Stunden nach der Wärmabehandlung - durchgeführt.
    Die in den Fg.3 und 7 gezeigte aufrechte Anordnung des Werkzeugs mit dem Zuführen des Druckmittels von unten hat den Vorteil, daß beim Füllen Luftblasen oder allgemein Gasblasen nach oben steigen können, so daß der Innen-raum des Rohlings bzw. Werkstücks 1 bzw. 1' problemlos gasblasenfrei gefüllt werden kann.
    Von Bedeutung ist beim Verpressen auch eine adäquate Schmierung insbesondere an Stellen starker Krümmung, wo der Werkstoff um enge Radien oder in enge Faden fließen muß. Ein entsprechender Schmiermittelauftrag ist also insbesondere an Kanten - auch des Rohlings - von Bedeutung. Insbesondere ist es günstig, im Kantenbereich um ca. 50% mehr Schmiermittel aufzutragen.
    Nachfolgend soll anhand eines konkreten Beispiels die erfindungsgemäße innendruckgestützte Umformung mit Innendruckführung noch naher erläutert werden.
    Beispiel:
    Es wurde ein Hohlprofil-Rohling mit quadratischem Querschnitt aus einem AlMgSi 0,5-Werkstoff verpreßt, wobei die Abmessungen des Rohlings wie folgt waren: Außenmaß 30 x 30 mm2, Wandstärke 2 mm, Eckradius 2 mm, Länge 155 mm. Die Zugfestigkeit für AlMgSi 0,5 beträgt ca. 200 N/mm2.
    Der Rohling wurde vor dem Verpressen 100 min lang in einem Glühofen auf 400°C erhitzt und danach an Luft abgekühlt. Die Preßbearbeitung erfolgte nach ca. 3 Stunden. Hierfür wurde eine Vorspanndruck von 130 bar eingestellt (am Beginn des Preßvorganges), und der rnaximale Innendruck, der in der zweiten Hälfte der Prozeßphase erreicht wurde, wo große Dehnungen des Werkstoffes des Werkstückes erforderlich waren, betrug 2000 bar. Die Preßgeschwindigkeit betrug 5 mm/s, und die Gegenhaltekraft des einen Gegenhaltestempels, für die Herstellung eines Werkstückes mit einer Abzweigung, quadratisch wie das Ausgangsprofil, betrug 10 kN.
    Das hergestellte Werkstück war wie erwähnt ein T-Stück, ähnlich wie in Fig.3 dargestellt, mit einer einer Abzweiglänge von 53 mm (gegen die Hinterwand gemessen), und das Werkstück hatte eine Endlänge von 90 mm. Im Bereich der Abzweigung betrug der Eckradius 3mm.
    Wenn die Erfindung vorstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert wurde, so sind doch selbstverständlich weitere Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich. So ist es insbesondere auch denkbar, in Abwandlung des Verlaufs des Innendrucks pi, wie im Diagramm von Fig.6 dargestellt, auch Prozeßphasen vorzusehen, in denen zwischendurch der Innendruck wieder etwas abgesenkt wird, etwa dann, wenn der Werkstoff des Werkstücks in der Abzweigung um einen zusätzlichen Eckenbereich zum Fließen gebracht werden soll. Weiters ist es selbstverständlich möglich, die in Fig.9 und 10 jeweils veranschaulichte Regelung einerseits für die Gegenhaltekraft der Gegenhaltestempel und andererseits für die Preßkraft der Preßstempel kombiniert im Prozeßablauf vorzusehen, d.h. es wäre beispielsweise im Ablauf gemäß Schema Fig.10 ein Schritt gemäß Block 43 von Fig.9 vor oder nach dem Block 44 vorzusehen.
    Als Druckventil 14 bzw. 14' können die verschiedensten herkömmlichen Druckventil-Typen verwendet werden, wie insbesondere auch außer dem gezeigten hydraulisch betätigten Druckventil 14' gemäß Fig.7 auch elektromagnetisch betätigte Druckventile.
    Die Steuer- und Regeleinheit 30 kann weiters in an sich herkömmlicher Weise mit entsprechenden elektrischen Schaltkreisen realisiert werden, wie insbesondere A/D-Wandlern, D/A-Wandlern, Komparatoren und/oder Mikroprozessoren. Derartige Regel- und Steuereinheiten sind an sich bei herkömmlichen Pressen grundsätzlich bekannt, so daß sich hier eine nähere Erläuterung erübrigen kann.
    Wenn die Erfindung vorstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungbeispielen erläutert wurde, so sind doch Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise ist es denkbar, an den Werkstücken zugleich mit den Ausbuchtungen, Aushalsungen, Abzweigungen usw. auch Einbuchtungen herzustellen.

    Claims (12)

    1. Verfahren zur innendruckgestützten Umformung von metallischen Hohlprofilen in Werkzeugen zu mit Ausbuchtungen, Aushalsungen, Abzweigungen oder dergl. versehenen Werkstücken (1), wobei dem Inneren eines im Werkzeug (2) angebrachten Rohlings, der an seinen Stirnseiten mit zumindest einem beweglichen Preßstempel und einem stationären Gegenhalte-Werkzeugteil, vorzugsweise mit zwei beweglichen Preßstempeln (3, 4), in Eingriff gebracht wird, ein flüssiges Druckmittel zugeführt wird, der Rohling mit Hilfe des oder der Preßstempel(s) (3, 4) unter Ausbauchen in zumindest einen Hohlraum (7) im Werkzeug (2) hinein gepreßt wird und der Druck des Druckmittels im Inneren des durch den Preßstempel und stationären Gegenhalte-Werkzeugteil bzw. die Preßstempel (3, 4) algeschlossenen Rohlings in Abhängigkeit vom Prozeßfortshritt beim Pressen, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Preßstempel-Weg (5), gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Prozeßphasen mit kleinen Dehnungen (ϕ) des Werkstoffes der Druck (pi) des Druckmittels so eingestellt wird, daß die aus dem räumlichen Spannungszustand im Werkstück (2) gebildete Vergleichsspannung im wesentlichen gerade die Formänderungsfestigkeit (kf) des Werkstoffes erreicht, wogegen in Prozeßphasen mit großen Dehnungen (ϕ) der Druck (pi) des Druckmittels erhöht wird, um die Bruchdehnung des Werkstoffs durch Absenken der mittleren Spannung ausreichend hinaufzusetzen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel am Beginn des Preßvorganges auf einen niedrigen Überdruck (pa), z.B. in der Größenordnung von 300 bis 600 bar, und gegen Ende des Preßvorganges auf den Maximalwert (pe,) beispielsweise in der Größenordnung von einigen kbar, gebracht wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel während des Preßvorganges auf einen Maximaldruck (pe) von mindestens 80% der Zugfestigkeit des Werkstoffes des Rohlings gebracht wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (pi) des Druckmittels in Preßphasen, in denen der Werkstoff des Rohlings kleine Krümmungsradien des Werkzeugs (2) umfließt, je nach Wandstärke (w) auf 5%-40% des Maximaldrucks beim Pressen eingestellt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel bereits vor dem Pressen des Rohlings auf einen erhöhten Vorspanndruck (pv), vorzugweise 5%-20%, insbesondere ungefähr 10% des beim Pressen erreichten Maximaldrucks (pe), z.B. auf einen Wert in der Größenordnung von 100 bis 1000 bar, gebracht wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling vor dem Preßvorgang Gaseinschlüssefrei mit dem Druckmittel gefüllt wird, und daß das Druckmittel durch eine Pumpe (18) auf einen erhöhten Druck (pi) gebracht wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von Rohling-Werkstoffen, die Auslagerungen von Legierungsbestandteilen an die Korngrenzen aufweisen, insbesondere von hochfesten Aluminiumlegierungen, vor dem Preßvorgang eine Wärmebehandlung derart durch geführt wird, daß durch Einlagerung dieser Legierungsbestandteile in die Korngitter die Duktilitat des Werkstoffs erhöht wird, und daß der Preßvorgang innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, z.B. 1h bis 4h nach der Wärmebehandlung, jedoch bevor es zu einer erneuten Auslagerung der Legierungsbestandteile an die Korngrenzen kommt, durchgeführt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Rohlinge aus AlMgSi-Legierungen bei ca. 400°C ungefähr 100 min lang in einem Glühofen erwärmt anschließend in Luft gekühlt und ca. 3h nach Ende der Glühofen-Warmebehandlung verpreßt werden.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei beim Verpressen des Rohlings in dem (jeweiligen) Werkzeug-Hohlraum (7), in den der Werkstoff des Rohlings hineinverformt wird, mit einem variablen Gegenhalte-Werkzeugteil (13), der eine Querschnittsform entsprechend dem (jeweiligen) auszubauchenden Teil aufweist, gegangehalten wird, dadurch gekennzeichnet daß mit dem (jeweiligen) variablen Werkzeugteil (13) druck- und/oder weggesteuert gegengehalten wird und die dabei in das Werkstück eingeleitete Kraft so bemessen wird, daß die insgesamt im Werkstück (1) auftretende mittlere Spannung (der hydrostatische Spannungsanteil) soweit vermindert wird, daß die dadurch festgelegte Bruchdehnung größer wird als die größte im betreffenden durch den variablen Werkzeugteil (13) abgestützten Werkstückteil auftretende Dehnung.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den variablen Gegenhalte-Werkzeugteil (13) aufgebrachte Kraft (Fg) auf mindestens 5% der durch den Innendruck im Rohling auf den auszubauchenden Teil ausgeübten Kraft eingestellt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der gleichzeitigen Herstellung von mehreren Ausbuchtungen, Abzweigungen oder dergl. (12, 12') und demgemäß der Verwendung von mehreren variablen druckgesteuerten Gegenhalte-Werkzeugteilen (13, 13') zusätzlich zu deren Drucksteuerung eine Wegüberwachung bzw. -messung durchgeführt wird, um bei ungleich schnellen Bewegungen der variablen Gegenhalte-Wertzeugteile (13, 13') ihre Drucksteuerung anzupassen.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Zonen mit Meinem OberflächenKrümmungsradius von Rohling bzw. Werkzeug, insbesondere an abgerundeten Kanten, um mindestens 50% mehr Schmiermittel aufgetragen wird als an den übrigen Teilen von Rohling bzw. Werkzeug (2).
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