Verfahren zum Umformen von Hohlprofilen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Hohlprofilen, insbesondere von Hohlwellen im Automobilbau. Dabei wird das Hohlprofil in einer Bearbeitungsrichtung durch eine Matrize hindurchgeführt und mit einem Dorn fixiert.

Bei der Umformung von Hohlprofilen kommt im Automobilbau bereits eine Mehrzahl unterschiedlicher Verfahren im Einsatz. Dabei werden Hohlprofile regelmäßig rohrförmig ausgebildet und im Rahmen einer nachfolgenden Umformung mit einer Struktur versehen oder bezüglich ihres Durchmessers verändert. Diese Hohlproflle finden insbesondere Einsatz als Hohlwellen in Kraftfahrzeugen.

Die Umformung solcher Hohlprofile, gerade wenn diese im Einsatz besonderen statischen und dynamischen Kräften sowie einer hohen Drehmomentbelastung ausgesetzt werden, muss regelmäßig besonderen Sicherheitskriterien genügen. So muss einerseits vermieden werden, dass sich bei der Umformung Risse im Mate- rial bilden. Demzufolge ist der Umformgrad während eines solchen Umformprozesses begrenzt. Andererseits besteht weiterhin der Trend, solche Kraftfahrzeugbauteile besonders leicht auszuführen, so dass hier der Wunsch nach dünnwandigen Hohlprofilen gegeben ist. Gerade bei einem Verfahren zum Umformen von Hohlprofilen gemäß dem so genannten Vorwärtsfließpressen bestehen jedoch bei dünnwandigen Hohlprofilen Probleme bei der Krafteinleitung, um das Hohlprofil mit hohem Umformgrad durch eine entsprechende Matrize hindurchzufuhren. Darüber hinaus müssen je nach Auswahl des Materials teilweise aufwendige Schmierprozesse während der Umformung und/oder besondere (thermische und/oder oberflächenspezifische) Vorbereitungen der Hohlprofile vor einem Um- formschritt beziehungsweise zwischen mehreren Teilumformschritten vorgenommen werden.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Umformen von Hohlprofilen angegeben wer- den, das bei einer hohen Materialvielfalt der Hohlprofile, insbesondere ohne aufwendige Vorbereitung der Hohlprofile, einen erhöhten Umformgrad auch bei dünnwandigen Profilen ermöglicht. Das Verfahren soll des Weiteren zu einer besonders hohen Bearbeitungsgenauigkeit führen, so dass beispielsweise bessere Form- und/oder Lagetoleranzen bezüglich der Abmessungen der Hohlprofile ein- gehalten werden können. Schließlich sollen auch besonders vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten für so hergestellte Hohlprofile angegeben werden.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Merkmale werden zudem in der Beschreibung weiter erläutert bzw. spezifiziert, so dass hier auch vorteilhaf- te Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umformen von Hohlprofilen wird das Hohlprofil mit einer Bearbeitungsrichtung durch eine Matrize hindurchgeführt und mit einem Dorn fixiert, so dass das Hohlprofil an der Matrize eine Material- fiussgeschwindigkeit in diese Bearbeitungsrichtung hat, wobei der Dorn eine Ziehgeschwindigkeit in Bearbeitungsrichtung hat, die größer als die Materialflussgeschwindigkeit ist.

Damit betrifft das Verfahren insbesondere ein Vorwärts-Fließpressen, wobei eine von einem Stempel erzeugte Presskraft auf das Hohlprofil zum Durchdrücken durch die Matrize mittels eines bewegten, insbesondere das Holprofil radial innen

fixierenden, Domes unterstützt wird. Unter „Vorwärts-Fließpressen" wird insbesondere das Durchdrücken eines Hohlprofils durch eine Matrize verstanden, wobei die Richtung des Werkstoffflusses mit der Bearbeitungsrichtung im Wesentlichen übereinstimmt. Dabei erfahrt das Hohlprofil in der Matrize eine plastische Formänderung. Unter einer Matrize wird dabei insbesondere eine formgebende Werkstoffb ^' ffhung verstanden. Bei der hier bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach Art eines Hohl- Vorwärtsfließpressens hat das Hohlprofil im Bearbeitungsbereich einen im Wesentlichen rohrförmigen Aufbau, wobei als formgebende Werkzeugöffhung ein Spalt zwischen der Matrize und dem Stempel gebildet ist.

Während bislang die auf das Hohlprofil einbringbare Umformkraft über beispielsweise die Stirnseite des Hohlprofils mittels eines' Stempels aufgebracht wurde, wird nunmehr vorgeschlagen, dass die Krafteinleitung zusätzlich mittels eines bewegten Domes unterstützt wird. Durch Aufbringen einer Kraft mittels des Stempels fließt der Werkstoff des Hohlprofils im Bereich der Matrize mit einer bestimmbaren Materialflussgeschwindigkeit, wobei bislang auch beachtliche (entgegen der Bearbeitungsrichtung wirkende) Reibungskräfte zwischen dem (feststehenden) Dom und dem fließenden Material des Hohlprofils überwunden werden mussten. Hier wird nun vorgeschlagen, dass der Dom in Bearbeitungsrichtung bewegt wird, wobei dies mit einer Ziehgeschwindigkeit erfolgt, die größer als die Materialflussgeschwindigkeit ist. Damit wird über die Reibung ebenfalls Kraft auf das zu bearbeitende Hohlprofil eingeleitet. Damit wird also ein zweiter Krafteinleitungspunkt für eine die Umformung unterstützende Kraft in Bearbeitungsrich- tung verwirklicht.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass gerade bei dünnwandigen Hohlprofilen üblicher Weise die Umformkraft durch die Knicklast des Holprofils begrenzt ist, so dass regelmäßig nur geringe Umformgrade erzielbar sind. Durch überlager- te Druckspannungen bei der Umformung gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist die Gefahr der Rissbildung deutlich verringert worden.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens hat das Hohlprofil eine Wandstärke von höchstens 6 mm. Besondere Anwendung, gerade im Hinblick auf den Automobilbereich, findet das Verfahren bei Hohlprofilen mit einer Wandstärke von etwa 1,5 mm bis 4 mm. Grundsätzlich können hierzu eine Vielzahl unterschiedlicher Materialen zum Einsatz gelangen, bevorzugt sind Stahlwellstoffe und Aluminium-Werkstoffe.

Darüber hinaus wird auch vorgeschlagen, dass eine Veränderung eines Durchmes- sers des Hohlprofils beim Hindurchfuhren durch die Matrize bewirkt wird. Bevorzugt kommt es in diesem Zusammenhang zu einer Reduzierung des Durchmessers.

Alternativ und/oder in Kombination dazu wird als vorteilhaft erachtet, dass eine Struktur in zumindest einem Teilbereich des Hohlprofils beim Hindurchführen durch die Matrize hergestellt wird. Die Bildung einer „Struktur" geht insbesondere mit einer Gestaltänderung des Querschnitts des Hohlprofils einher. Damit können in Umfangsrichtung des Hohlprofils beispielsweise Erhebungen und/oder Senken (bereichsweise oder über den gesamten Umfang) gebildet werden, wobei diese bevorzugt mit einer gleichzeitigen Durchmesseränderung einhergehen.

Es hat sich herausgestellt, dass infolge des mitbewegten Domes besonders hohe Toleranzanforderungen hinsichtlich der Formgenauigkeit bzw. der Rundheit von Durchmesser-reduzierten Hohlprofilen und/oder der Ausgestaltung von struktu- rierten Hohlwellen eingehalten werden konnten.

Entgegen der weit verbreiteten Ansicht, dass das Vorwärtsfließpressen zur Gewährleistung eines hohen Umformgerades in der Serienfertigung besonders vorbehandelte Hohlprofile erfordert, wird hier auch vorgeschlagen, das erfindungs- gemäße Verfahren bei einem Hohlprofil mit einem vorverfestigten Material durchzuführen. Damit ist insbesondere gemeint, dass das Hohlprofil zuvor bereits

beispielsweise kalt verformt wurde, wobei die Kaltverfestigung nicht durch eine thermische Nachbehandlung wieder entfernt wurde. Auch solche kaltverformten Holprofile können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren formgenau (weiter) umgeformt werden.

Darüber hinaus kann das Hohlprofil auch mit einer Schweißnaht bereitgestellt werden. Dies betrifft beispielsweise den Fall, dass ein rohrähnliches Hohlprofil, dass als Halbzeug für das hier vorgeschlagene Verfahren dient, aus einer Metallplatte gebogen und anschließend zusammengeschweißt wurde. Auch ein solches Hohlprofil, das beispielsweise in Bearbeitungsrichtung eine Schweißnaht aufweist, kann mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren umgeformt werden, wobei hohe Formtoleranzen gewährleistet sind.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens übersteigt die Umgebungstemperatur während der Umformung 300°C nicht. Insbesondere übersteigt die Umgebungstemperatur nicht 200°C. Die Umgebungstemperatur meint insbesondere die Temperatur des Werkzeugs bzw. des Werkstückes. Damit soll insbesondere zum Ausdruck gebracht werden, dass das Verfahren nicht mit einer zeitlich vorgelagerten und/oder gleichzeitigen Wärmebehandlung einhergeht. Damit können die Herstel- lungskosten für solche Hohlprofile deutlich reduziert werden, wobei gleichzeitig kürzere Taktzeiten möglich sind.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es des Weiteren auch vorteilhaft sein, während der Bearbeitung des Hohlprofils zumindest die Materialflussgeschwin- digkeit oder die Ziehgeschwindigkeit in Bearbeitungsrichtung zu variieren. Dabei kann grundsätzlich auch eine gleichzeitige und/oder zeitlich versetzte Variierung der Materialflussgeschwindigkeit und der Ziehgeschwindigkeit vorgenommen werden. Damit können beispielsweise Materialinhomogenitäten oder andere die Umformung lokal beeinflussende Parameter berücksichtigt werden.

Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge wird die Umformung trocken ausgeführt. Eine „trockene" Umformung ist insbesondere dann gegeben, wenn auf eine gleichzeitige Schmiermittelzufuhr verzichtet wird. Folglich werden keine, die Reibung zwischen Matrize und Rührprofü bzw. zwischen Hohlprofil und Dorn beeinflussende, Schmiermittel im Umformbereich während des Umformvorgangs zugegeben. Ein solches Verfahren ist insbesondere im Hinblick auf die geringeren Herstellkosten und die Schonung der Umwelt vorteilhaft.

Gegebenenfalls kann jedoch eine vorbereitende Schmierung vorgenommen wer- den. Dazu kann das Hohlprofil vor der Umformung beispielsweise in ein Schmiermittel eingetaucht oder besprüht werden, so dass auf der Oberfläche des Hohlprofils ein Schmierfilm erzeugt wird. Das so vorbereitete Hohlprofil wird im An- schluss „trocken" umgeformt.

Des Weiteren wird an dieser Stelle auch ein Kraftfahrzeugbauteil vorgeschlagen, das zumindest zwei Hohlprofile umfasst, wobei zumindest ein Hohlprofil mit einem hier erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren hergestellt ist, bei dem die beiden Hohlprofile zumindest in einem Abschnitt konzentrisch angeordnet sind.

Mit einem solchen Doppel-Hohlprofil können insbesondere bei der Herstellung von Hohlwellen oder Drehmomentüberträgern im Kraftfahrzeugbau eine Art Sollbruchstelle erzeugt werden, so dass beispielsweise bei einer sehr hohen Krafteinwirkung in Richtung der Hohlwelle ein Aufbäumen im Kraftfahrzeug vermieden wird und sich die Hohlprofile in diesem Fall ineinander schieben bzw. die Dreh- momentübertragung unterbrechen. Da die beiden Hohlprofile jedoch während des üblichen Einsatzes ein beachtliches Drehmoment übertragen müssen, ist eine sehr hohe Formgenauigkeit bzw. ein sehr inniger Kontakt der beiden Hohlprofile in dem mindestens einen Abschnitt gewünscht.

Auch aus diesem Grund wird vorgeschlagen, dass die Hohlprofile in dem Abschnitt eine ineinandergreifende Struktur bilden. Dabei ist insbesondere eine in

Umfangsrichtung verlaufende Struktur gemeint, die regelmäßig aufgebaut und aus Wiederholungen umfassend Erhebungen und Senken aufgebaut ist. Dabei werden bevorzugt beide Hohlprofile nach dem hier erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren hergestellt, weil damit besonders hohe Formgenauigkeiten realisierbar sind, so dass die Flanken der konzentrisch zueinander angeordneten Erhebungen bzw. Senken eine sehr große Anlagefläche zueinander bilden und demnach ein beachtliches Drehmoment übertragen können.

Bevorzugt ist dabei ein Kraftfahrzeugbauteil, bei dem die Hohlprofile jeweils eine Wandstärke im Bereich von 1,5 bis 4 mm aufweisen.

Schließlich wird auch ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest ein Kraftfahrzeugbauteil der vorstehend beschriebenen ^• Art zur Drehmomentübertragung vorgeschlagen, weil hiermit eine besonders formgenaue und leistungsstarke Komponen- te für den Kraftfahrzeugbau kostengünstig hergestellt werden kann.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend ein Bearbeitungsbeispiel veranschaulicht, wobei beispielhaft die Prozessparameter eines solchen Vorwärts-Fließpressens mit gesteuertem Dorn zur Herstellung einer Ver- schiebeverzahnung (slip in tube) aufgezeigt werden:

Halbzeug:

Material: E355 (ST 52 - 3)

Abmessung: Durchmesser 63.5 mm, Wandstärke 1.8 mm

Prozess:

Stempelkraft: 20O kN

Materialflussgeschwindigkeit: 40 mm/sek

Dornoberfläche: Rauheit Ra 0.3 mm, Material Nr. 1.2379 Dorngeschwindigkeit: 50 mm/sek

Matrizenoberfläche: Rauheit Ra 0.03 mm, Material G20

Matrizenabmessung: Winkel 20°, Verjüngungsstrecke 3 mm Spalt Dorn/Matrize: 1.7 mm Schmierung: vor der Umformung

Produkt:

Abmessungen: Durchmesser 60 mm, Wandstärke 1.8 mm Umformgrad: wegen der Geometrie der Verzahnung lokal sehr unterschiedlich

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 : eine erste Bearbeitungssituation bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2: eine zweite Bearbeitungssituation bei einem weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3: eine Ausführungsvariante eines Kraftfahrzeugbauteils mit konzentrischen Hohlprofilen,

Fig. 4: ein bevorzugtes Einsatzgebiet für derartige Hohlprofile bei einem Kraftfahrzeug, und

Fig. 5: ein Flussdiagramm betreffend eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 soll schematisch der Zustand beschrieben werden, wie er bei einer erfindungsgemäßen Umformung eines rohrähnlichen Hohlprofils 1 stattfinden kann.

Die veranschaulichte Werkzeuganordnung umfasst eine Matrize 3, einen Stempel 5, einen Dorn 4 und einen Auswerfer 16. Die hier bezüglich des Hohlprofils 1 außen positionierte Matrize 3 ist feststehend ausgebildet, wobei mittels des stirnseitig ansetzenden Stempels 5 das Hohlprofil 1 durch die innere öffnung der (im Halbquerschnitt dargestellten) Matrize 3 hindurchgedrückt wird. An der Matrize 3 erfolgt nun eine Umformung des, eine vorgegebene Wandstärke 8 aufweisenden, Hohlprofils 1, so dass eine Reduktion des Durchmessers 9 stattfindet.

Für eine kontrollierte Umformung ist der Dorn 4 innerhalb der Matrize 3, nämlich konzentrisch zu deren öffnung, angeordnet, so dass Matrize 3 und Dorn 4 den Spalt bilden, durch den das Hohlprofil 1 hindurchgedrückt wird. Dabei stellt sich während des Prozesses eine Materialflussgeschwindigkeit 6 in Bearbeitungsrichtung 2 ein, die maßgeblich zunächst aus der Einwirkung des Stempels 5 auf das Hohlprofil 1 resultiert. Erfindungsgemäß wird nun der Dorn 4 mit einer Ziehge- schwindigkeit 7 in Bearbeitungsrichtung 2 mitbewegt, die größer als die Materialflussgeschwindigkeit 6 ist. Dies wird mit den hier angedeuteten Pfeilen veranschaulicht. Dadurch, dass eine erhöhte Ziehgeschwindigkeit 7 vorliegt, wird über die Gleitreibung ebenfalls in der Bearbeitungsstelle bzw. in dem Spalt zwischen Matrize 3 und Dorn 4 eine Kraft in eingeleitet, so dass die Umformkraft, die über den Stempel 5 eingeleitet wird, reduziert werden kann bzw. insgesamt eine erhöhte Gesamt-Umformkraft gegeben ist. Die Gesamt-Umformkraft (UKgesamt) ergibt sich dabei aus der Umformkraft (UK) des Stempels und der Reibkräfte (RK) an Matrize und Dorn (UKgesamt = UKstempel + RKmatritze - RKdorn). Die Reibkraft des Domes ist dabei ggf. abhängig von dem eingesetzten Schmiermittel auf der Oberfläche des Hohlprofils.

Ist die Umformung beendet, wobei beispielsweise nur ein Teilbereich des Hohlprofils umgeformt wurde, kann das Hohlprofil 1 schließlich entgegen der Bearbeitungsrichtung 2 mittels des Auswerfers 16 wieder aus der Werkzeuganordnung entfernt werden.

Der letztgenannte Verfahrensschritt, wobei der Auswerfer 16 das Hohlprofil 1 wieder frei gibt, lässt sich aus der Fig. 2 entnehmen. Bei der hier veranschaulichten Verfahrenssituation befinden sich Matrize 3 und Dorn 4 nicht mehr im Eingriff, sondern der Auswerfer 16 entfernt das Hohlprofil 1. Bei der zuvor erfolgten Bearbeitung wurde eine Umformung eines Teilbereichs 11 durchgeführt, bei der eine Struktur 10 generiert wurde. Dabei ist dieser eine Teilbereich 11 nahe einem (stimseitigen) Ende des rohrförmigen Hohlprofils 1 ausgebildet. Daran anschließend ist eine Ausweitung nach Art eines Konus 19 ausgeformt, der den übergangsbereich hin zu dem ursprünglichen Hohlprofil 1 darstellt.

Fig. 3 zeigt nun einen Querschnitt durch ein Kraftfahrzeugbauteil 13, das zwei konzentrische Hohlprofile 1 umfasst. Zu erkennen ist, dass beide Hohlprofile 1 mit einer Struktur 10 umfassend eine Vielzahl von Erhebungen 17 und Senken 18 versehen wurde. Beide Hohlprofile 1 können mit dem erfindungsgemäß beschrie- benen Verfahren hergestellt werden, obwohl diese z. B. ein unterschiedliches Material aufweisen und/oder mit einer längsorientierten Schweißnaht 12 ausgeführt sind. Grundsätzlich können zur Herstellung gleichartige rohrähnliche Hohlprofile verwendet werden, die sich gegebenenfalls nicht einmal hinsichtlich ihres Durchmessers 9 vor der Umformbearbeitung unterscheiden müssen. Die beiden Hohl- profile sind in dem hier veranschaulichten Abschnitt 14 so konzentrisch zueinander angeordnet, dass sie besonders gut zur übertragung von hohen Drehmomenten geeignet sind, was hauptsächlich mit der guten Passgenauigkeit bzw. den besonders guten Formtoleranzen hinsichtlich der Struktur 10 ermöglicht wird.

Lediglich beispielhaft soll die Fig. 4 den Einsatz eines solchen Hohlprofils 1 als Kraftfahrzeugbauteil 13 in einem Kraftfahrzeug 15 veranschaulichen. Darüber hinaus kann ein solches Hohlprofil außer als Kardanwelle auch als Welle in anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Prüfständen, Rollmaschinen, etc.

Fig. 5 soll nach Art eines Flussdiagramms schematisch ein weiteres Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichen.

Schritt (A) umfasst dabei insbesondere das Bereitstellen einer Hohlwelle. In diesem Zustand kann die Hohlwelle Kaltverfestigungen und/oder sogar Schweißnähte aufweisen. Bevorzugt ist eine rohrähnliche Hohlwelle mit einer Wandstärke im Bereich von 1 ,5 bis 4 mm.

Im Rahmen des Schrittes (B) wird die Hohlwelle beispielsweise zu einer Matrize einem Stempel und einem Dorn ausgerichtet bzw. positioniert. Vorteilhafterweise befindet sich dabei der Dorn im Eingriff mit der Hohlwelle, so dass ein exaktes Zuführen der Hohlwelle während der späteren Bearbeitung bei gleichzeitiger Ziehwirkung durch den Stempel ermöglicht wird.

^• Schritt (C) umfasst insbesondere das Bewegen der Hohlwelle durch die Matrize über die Stempelkraft.

Gleichzeitig oder zeitlich versetzt wird nun im Rahmen des Schrittes (D) der Dorn mit einer Ziehgeschwindigkeit in Bearbeitungsrichtung bewegt, die größer als die Materialflussgeschwindigkeit der Hohlwelle im Bereich der Matrize ist. Hierbei können zur Erhöhung des Umformgrades auch Schmiermittel zum Einsatz gelan- gen, die den Kontaktbereich der Hohlwelle hin zur Matrize bzw. hin zum Stempel benetzen.

Der hier nur gestrichelt angedeutete Verfahrensschritt (E) umfasst das gegebenenfalls erwünschte Auswerfen der fertig bearbeiteten Hohlwelle aus der Werkzeug- Anordnung.

Bezugszeichenliste

1 Hohlprofil

2 Bearbeitungsrichtung

3 Matrize

4 Dorn

5 Stempel

6 Materialflussgeschwindigkeit

7 Ziehgeschwindigkeit

8 Wandstärke

9 Durchmessers

10 Struktur

11 Teilbereich

12 Schweißnaht

13 Kraftfahrzeugbauteil

14 Abschnitt

15 Kraftfahrzeug

16 Auswerfer

17 Erhebung

18 Senke

19 Konus