DE102007038713A1

DE102007038713A1 - Partiell verstärktes Hohlprofil

Info

Publication number: DE102007038713A1
Application number: DE102007038713A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Ing. Flehmig; Jörg Dipl.-Ing. Gorschlüter; Lothar HÖRNIG
Original assignee: ThyssenKrupp Steel AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: DE102007038713B4; CN101815591A; WO2009021838A2; WO2009021838A3; US20110162431A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall, insbesondere Stahl oder einer Stahllegierung. Die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall vorzuschlagen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Platine gemeinsam mit einer Mehrzahl auf der Platine angeordneter Verstärkungselemente aus Metall durch die Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung zu einem Hohlprofil umgeformt wird, wobei die auf der Platine angeordneten Verstärkungselemente nach der Umformung zumindest über einen Formschluss mit der umgeformten Platine verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall, insbesondere Stahl oder einer Stahllegierung.
Insbesondere in Rahmenstrukturen von Kraftfahrzeugen aber auch in anderen technischen Bereichen werden partiell verstärkte Hohlprofile eingesetzt, um gleichzeitig eine bestimmte Festigkeit mit minimalem Gewicht zu erzielen. Entsprechende Hohlprofile, insbesondere Rohre können durch sogenannte "tailored Tubes" zur Verfügung gestellt werden, welche aus Rohren bestehend aus unterschiedlichen Materialien und/oder unterschiedlichen Wanddicken bestehen, die aneinander geschweißt sind. Hierdurch kann das so hergestellte Bauteil beispielsweise an Stellen mit größerer Wanddicke höhere Kräfte aufnehmen und übertragen. Andererseits sind in den Bereichen, in welchen die Bauteil-Steifigkeit relativ gering sein darf, die Wanddicke auf das minimal erforderliche Maß reduziert, so dass das Gewicht des Bauteils gering bleibt.
Problematisch bei "modular Tubes" ist, dass diese relativ aufwändig zu fertigen sind. Insbesondere bei einer hohen Anzahl an notwendigen, verstärkten Bereichen ergibt sich eine hohe Anzahl an Rohren, welche orbital aneinander geschweißt werden müssen. Gleiches gilt natürlich auch für anders geformte Hohlprofile aus "tailored Blanks". Zur Vereinfachung dieses Verfahrens ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 21 880 A1 bekannt, Verstärkungselemente, welche ein Rohr teilweise oder komplett umschließen, auf das zu verstärkende Rohr aufzuschieben und anschließend durch ein Innenhochdruckumformverfahren derart umzuformen, dass die partiellen Verstärkungselemente eine formschlüssige Verbindung mit dem Rohr aufweisen. Das Innenhochdruckumformverfahren ist allerdings im Hinblick auf die notwendigen Investitionskosten für Vorrichtungen und Werkzeuge teuer, so dass die Herstellkosten für ein partiell verstärktes Rohr relativ hoch sind. Darüber hinaus ist aus dem Stand der Technik, aus der DE 198 19 484 A1 bekannt, während des Tiefziehens einer Platine zu einem U-förmigen Profil, dieses mit einer Verstärkung zu versehen, welche vor dem Umformvorgang auf der Platine angeordnet ist. Schließlich ist aus der DE 197 37 969 A1 bekannt, bei der Herstellung von partiell verstärkten Halbzeugen die Verstärkungselemente fest mit dem noch nicht umgeformten Halbzeug zu verbinden. Die Herstellung einer festen Verbindung zwischen Verstärkungselement und noch nicht umgeformten Halbzeug ist einerseits arbeitsintensiv und führt andererseits zu Spannungen im nachträglich umgeformten Halbzeug.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall vorzuschlagen.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Platine mit einer Mehrzahl auf der Platine angeordneter Verstärkungselemente aus Metall durch die Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung zu einem Hohlprofil umgeformt wird, wobei die auf der Platine angeordneten Verstärkungselemente nach der Umformung zumindest über einen Formschluss mit der umgeformten Platine verbunden sind, wobei bevorzugt eine Verbindung nur unter Formschluss erfolgt.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass Platinen mit darauf angeordneten Verstärkungselementen auch durch die Einroll-Technik oder eine U-O-Umformung gemeinsam mit der Platine umgeformt werden können, wobei gleichzeitig ein Formschluss zwischen den Verstärkungselementen und der Platine erzielt wird. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl oder eine hohe Anzahl an Verstärkungselementen am Hohlprofil vorgesehen sind, weil diese gleichzeitig mit der umgeformten Platine über den Formschluss verbunden werden. Beim U-O-Umformen wird eine ebene Platine zu einem Vorformkörper gemeinsam mit den auf der Platine angeordneten Verstärkungselementen umgeformt, in einem Gesenk zu einem geschlossenen Hohlprofil geformt und anschließend verschweißt. Der Vorformkörper kann beispielsweise einen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweisen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, andersartige Querschnittformen für den Vorformkörper vorzusehen. Bei der Durchführung der Einroll-Technik wird eine Platine gemeinsam mit den auf der Platine angeordneten Verstärkungselementen in ein Gesenk eingelegt, welches aus der ebenen Platine mit den darauf angeordneten Verstärkungselementen das Hohlprofil formt. Dabei gleitet die Platine, sofern ein Formkern verwendet wird, in einem Schlitzbereich zwischen Formkern und Gesenk, bis sich die Kanten der Platine zum Verschweißen gegenüberstehen. Bei innenliegenden Verstärkungselementen kann die Einroll- Technik mit einem Formkern durchgeführt, so dass der Formkern das Verprägen der Verstärkungselemente mit der Platine hervorruft. Bei außenliegenden Verstärkungselementen ist prinzipiell auch eine formkernlose Durchführung der Einroll-Technik möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher bereits vorhandene Anlagen zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen genutzt werden, so dass die Investitionskosten gering sind. Zudem zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch geringe Zykluszeiten aus, welche ebenfalls zur hohen Wirtschaftlichkeit beitragen. Schließlich ist die Materialbelastung bei der U-O-Umformung sowie bei der Einrolltechnik besonders gering, so dass noch weitere Umformungen des hergestellten Hohlprofils möglich sind.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine gute Anpassung an den Einsatzzweck des partiell verstärkten Hohlprofils dadurch erreicht, dass die Verstärkungselemente an die Belastung angepasste Wanddicken aufweisen. Die unterschiedlichen Wanddicken können verschiedene stärker und/oder weniger stark belastete Bereiche des Hohlprofils berücksichtigen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne großen Aufwand durch Auswahl und Anordnung unterschiedlicher Verstärkungselemente auf der Platine, belastungsgerecht ausgelegte, partiell verstärkte Hohlprofile herzustellen, welche ohne weiteres auch eine hohe Anzahl an verstärkten Bereichen aufweisen können.
Ebenso wie unterschiedliche Wanddicken können die Verstärkungselemente aus an die Belastung angepassten Materialien bestehen. Beispielsweise können verschiedene Stahllegierungen verwendet werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass auch Materialien verwendet werden können, welche nicht verschweißbar sind, da die Verstärkungselemente über den Formschluss mit der umgeformten Platine verbunden sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zudem auf Belastungen im Einsatzzweck dadurch reagiert werden, dass die Verstärkungselemente auf der Innenseite und/oder auf der Außenseite des Hohlprofils angeordnet sind. Innen angeordnete Verstärkungselemente benötigen, wie bereits oben ausgeführt, bei der Verwendung der Einroll-Technik sowie bei der Durchführung einer U-O-Umformung die Verwendung eines inneren Formkerns, um das Verprägen der Versteifungselemente mit der das Hohlprofil bildenden Platine zu erzielen.
Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein geschlossenes Hohlprofil dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass die gegenüberliegenden Kanten der umgeformten Platine längsnahtverschweißt werden.
Wird ein partiell verstärktes, rohrförmiges Hohlprofil mit rundem Querschnitt hergestellt, kann ein besonders einfach geformtes, partiell verstärktes Hohlprofil zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann ein so hergestelltes, partiell verstärktes Hohlprofil als Ausgangsprodukt zur Herstellung weiterer, komplexerer Hohlprofile dienen.
Um das Herstellverfahren weiter zu vereinfachen, werden vorzugsweise die Verstärkungselemente auf der Platine vor der Umformung fixiert und/oder positioniert. Fixieren im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Verstärkungselemente lediglich hinsichtlich eines Verrutschens während der Umformung gesichert werden. Dies kann einerseits durch die Gesenkform selbst erfolgen, andererseits können auch Schweiß- und/oder Klebepunkte sowie ein leichter Formschluss durch Umformen der Platine und der Verstärkungselemente, beispielsweise in eine überbogene U-Form, zum Fixieren verwendet werden. Ebenso kann ein Positionieren auf den Platinen erfolgen. Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten "festen" Verbinden der Verstärkungselemente mit der umzuformenden Platine, ist der Arbeitsaufwand deutlich geringer.
Gegen ein axiales Verrutschen der Verstärkungselemente können diese nach einer weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gesichert werden, dass nach dem Umformen die Verstärkungselemente zusätzlich stoffschlüssig über Schweißpunkte, -nähte und/oder Klebepunkte mit der Platine verbunden werden.
Eine besonders einfache zusätzliche Fixierung mindestens eines Verstärkungselements kann dadurch erreicht werden, dass mindestens ein Verstärkungselement den Umfang des Hohlprofils umschließt und nach der Umformung an den gegenüberliegenden Kanten verschweißt wird.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren weiter dadurch verbessert werden, dass während des Umformens weitere Funktionselemente durch Prägen, Stanzen und/oder Ausformen in das Hohlprofil eingebracht werden. Hierdurch wird die Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte zur Herstellung eines entsprechenden Hohlprofils weiter verringert, so dass auch die Herstellkosten entsprechend gesenkt werden können. Als Funktionselemente können beispielsweise Verprägungen und/oder Löcher aber auch Flansche in das Hohlprofil eingebracht werden.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer Platine mit darauf angeordneten Verstärkungselementen vor dem Umformen,
2 eine Hohlprofilhälfte nach dem Umformen einer Platine aus 1 zu einem Rohr gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls in einer Schnittansicht,
3 ein Ausführungsbeispiel einer vorgeformten Platine zur Fixierung der Verstärkungselemente,
4a), b) in einer schematischen axialen Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu zwei verschiedenen Zeitpunkten,
5 in einer axialen Draufsicht eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung der Einroll-Technik mit Formkern gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
6 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung der Einroll-Technik ohne Formkern gemäß einem letzten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist in einer Schnittansicht eine Platine 1 mit darauf angeordneten Verstärkungselementen 2', 2'', 2''' in unverformtem Zustand dargestellt. Die Verstärkungselemente 2', 2'' und 2''', auch Patches genannt, sind entweder nicht fixiert (2'), über Schweiß- oder Lötpunkte 3 oder eine Kleberschicht 4 auf der Platine 1 gegen ein Verrutschen fixiert. Die Kleberschicht 4 kann auch als Klebepunkt ausgebildet sein. Die Fixierungen über den Schweißpunkt oder den Lötpunkt 3 sowie die Kleberschicht 4 oder den Kleberpunkt dienen lediglich dazu die Verstärkungselemente gegen ein Verrutschen, beispielsweise beim Einlegen der Platine in die Vorrichtung zum Umformen zu schützen. Eine feste Verbindung zwischen Platine und Verstärkungselement ist nicht gefordert. Nach dem Umformen, beispielsweise durch die Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung werden die Verstärkungselemente 2', 2'', 2''' mit der umgeformten Platine 1 verprägt, so dass es zu einem Formschluss zwischen umgeformter Platine 1 und Verstärkungselementen 2', 2'', 2''' kommt. Der Formschluss ist ausreichend, um die Verstärkungselemente 2', 2'', 2''' mit der umgeformten Platine dauerhaft zu verbinden.
Eine weitere Positionierungsmöglichkeit der Verstärkungselemente 2 auf der Platine 1 zeigt 3 in einer schematischen Schnittansicht durch die vorgeformte Platine 1. Die vorgeformte Platine 1 ist zu einem V geformt, auf welchem das Verstärkungselement 2 formschlüssig und/oder kraftschlüssig angeordnet ist. Der so hergestellte Vorformkörper kann beispielsweise in einem U-O-Umformverfahren zu einem geschlossenen Hohlprofil umgeformt werden. Dies zeigen die 4a) und 4b) in einer schematischen axialen Draufsicht auf eine Vorrichtung 5 zur Durchführung einer U-O-Umformung.
Eine Vorrichtung 5 zur Durchführung der U-O-Umformung weist ein Gesenk auf, welches beispielsweise aus zwei Gesenkhälften 6, 7 bestehen kann. Die Gesenkhälften 6, 7 haben in geschlossenem Zustand die Form des herzustellenden Hohlprofils. Die Platine 1 wird mit den darauf angeordneten Verstärkungselementen 2, welche hier nur durch eine Punktlinie dargestellt sind, in die Gesenkhälfte 7 eingelegt und die Gesenkhälften 6 und 7 dann geschlossen. Beim Schließen wird die Platine 1 mit den Verstärkungselementen 2 zu einem geschlossenen Hohlprofil umgeformt, wie 4b) zeigt. Die außenliegenden Verstärkungselemente 2 sind nach dem Umformen mit der Platine 1, wie bereits in 2 dargestellt, verprägt, so dass diese über einen Formschluss mit der das Hohlprofil bildenden Platine verbunden sind. Anschließend können die gegenüberliegenden Kanten der Platine und der Verstärkungselemente mit in den Figuren nicht dargestellten Mitteln zum Verschweißen verschweißt werden, so dass ein geschlossenes Hohlprofil zur Verfügung gestellt werden kann.
Zwar ist in der 4a) und 4b) ein Verfahren zur Durchführung der U-O-Umformung mit außenliegenden Verstärkungselementen 2 dargestellt, es ist jedoch auch ohne weiteres vorstellbar, dass innenliegende Verstärkungselemente 2 verwendet werden, wobei jedoch ein Formkern, ähnlich wie bei der später beschriebenen Einroll-Technik zum Verprägen der innenliegenden Verstärkungselemente zur Anwendung kommt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung der Einroll-Technik mit innenliegenden Verstärkungselementen zeigt in einer schematischen Draufsicht 5. Das Gesenk der Vorrichtung in 5 besteht aus zwei Gesenkhälften 8, 9. Zwischen den Gesenkhälften 9 und 8 ist die Platine 1 mit den darauf angeordneten Verstärkungselementen 2 eingelgt. Zusätzlich ist ein Formkern 10 vorgesehen, welcher beim Schließen der Gesenkhälften 8, 9 ein Verprägen der innenliegenden Verstärkungselemente 2 mit der Platine 1 verursacht. Optional kann ein Schwert 11 vorgesehen sein, welches sich in axialer Richtung des herzustellenden Hohlprofils erstreckt und zur Erzeugung eines Fügespaltes zwischen den gegenüberliegenden Kanten der umgeformten Platine 1 dient. Nach dem Umformen der Platine kann das so hergestellte Hohlprofil einfach und prozesssicher längsnahtgeschweißt werden.
Schließlich zeigt 6 eine Vorrichtung zur Durchführung der Einroll-Technik ohne Formkern, wobei die Verstärkungselemente 2 auf der Außenseite des später hergestellten Hohlprofils vorgesehen sind. Sollten sowohl innenliegende als auch außenliegende Verstärkungselemente 2 mit der Platine 1 umgeformt werden, ist allerdings die Verwendung eines Formkerns 10 notwendig.
Die zuvor dargestellten Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind konventionell, relativ einfach aufgebaute Vorrichtungen, welche zu geringen Investitionskosten führen. Im Ergebnis können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl bei der Verwendung der U-O-Umformung als auch bei der Verwendung der Einroll-Technik partiell verstärkte und insbesondere eine Mehrzahl an verstärkten Bereichen aufweisende Hohlprofile kostengünstig hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10221880 A1 [0003]
- DE 19819484 A1 [0003]
- DE 19737969 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von partiell verstärkten Hohlprofilen aus einem Metall, insbesondere Stahl oder einer Stahllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platine gemeinsam mit einer Mehrzahl auf der Platine angeordneter Verstärkungselemente aus Metall durch die Verwendung der Einroll-Technik oder durch eine U-O-Umformung zu einem Hohlprofil umgeformt wird, wobei die auf der Platine angeordneten Verstärkungselemente nach der Umformung über einen Formschluss mit der umgeformten Platine verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente an die Belastung angepasste Wanddicken aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente aus an die Belastung angepassten Materialien bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente auf der Innenseite und/oder auf der Außenseite des Hohlprofils angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Kanten der umgeformten Platine längsnahtverschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein partiell verstärktes, rohrförmiges Hohlprofil mit rundem Querschnitt hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente auf der Platine vor der Umformung fixiert und/oder positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umformen die Verstärkungselemente zusätzlich stoffschlüssig über Schweißpunkte, -nähte und/oder Klebepunkte mit der Platine verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verstärkungselement den Umfang des Hohlprofils umschließt und nach der Umformung an den gegenüberliegenden Kanten verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Umformens weitere Funktionselemente durch Prägen, Stanzen und/oder Ausformen in das Hohlprofil eingebracht werden.