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EFB-Forschungsbericht Nr. 138

Anwendungsspezifische Weiterentwicklung des hydraulischen Rohr-Innendruck-Umformens zur Herstellung hohlförmiger Bauteile der Automobil- und Gerätebauindustrie

efb138

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel, Dipl.-Ing. Ralf Huber, Institut für Produktionstechnik der Technischen Hochschule Darmstadt

83 Seiten (Sw 85, teils farbige Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-269-4

Preis (Digital) EUR 39,00

Preis (Digital) EUR 43,90

Schlagworte: Lamellen, Innenhochdruck, Prozessketten, Werkstofffluss

Zusammenfassung

Die Verfahren des lnnenhochdruck-Umformens zeichnen sich u.a. durch die Fertigung hohlförmiger Bauteile in einer kurzen Prozeßkette aus. Während das Innenhochdruck- Umformen von Hohlprofilen schon seit geraumer Zeit in Großserie eingesetzt wird und auch schon zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen zu diesem Themengebiet durchgeführt wurden, ist das Innenhochdruck-Umformen von Blechen noch eine relativ junge Technologie, deren Verfahrensentwicklung und wissenschaftliche Durchdringung erst am Anfang steht.

Motivation für die Entwicklung dieser Verfahrensvariante ist die Herstellung hohlförmiger Blechbauteile aus zwei Platinenzuschnitten in nahezu einem Fertigungsschritt bzw. in einem Umformwerkzeug. Dies beinhaltet das gleichzeitige Ausformen zweier Halbschalen mit lnnendruck, das Einbringen von Aussparungen in die Halbschalen durch Innenhochdruck-Sehneiden und das Verbinden der Halbschalen durch den Einsatz der Druckfügetechnik im Umformwerkzeug.

Die Realisierung dieser Verfahrensvariante ermöglicht gegenüber der bisher vorherrschenden Technologie Tiefziehen von zwei Halbschalen mit anschließenden Schneidoperationen und Fügen durch Schweißen eine Verkürzung der Prozeßkette. Insbesondere bei kleinen Stückzahlen können sich die durch diese Verfahrensvariante mögliche Einsparungen an Werkzeugen, Maschinenverfügbarkeiten und Handlings- und Lagerungskosten wirtschaftlich positiv bemerkbar machen. Gegenüber dem Innenhochdruck-Umformen von Hohlprofilen erlaubt diese Verfahrensvariante des lnnenhochdruck-Umformens zum einen die Herstellung von Bauteilen die große Querschnittsänderungen über die Längsachse aufweisen und zum anderen den Einsatz von unterschiedlichen Werkstoffqualitäten und Blechdicken für ein Bauteil bzw. für die Halbschalen des Bauteils.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden für das Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen die Verfahrensgrundlagen Zuführung des Umformmediums zwischen die Blechplatinen, Abdichtung der Blechplatinen im Flansch gegen den lnnendruck, Konturausformen mittels Innendruck und Schneiden mit Innendruck untersucht sowie der Einsatz der Druckfügetechnik im Umformwerkzeug erprobt. Das Werkstückstoffspektrum umfaßte die gängigen Feinblechgüten im Automobil- und Gerätebau DC04, AIMgG5Mn, ZStE340 und X5CrNi18 9 im Wandstärkenbereich 1 mm bzw. 1.15mm.

Die untersuchten Andocksysteme, also die Art der Zuführung des Umformmediums zwischen die Blechplatinen, lassen sich prinzipiell in Andocksysteme innerhalb und außerhalb der Blechtrennebene einteilen. Bei den Andocksystemen außerhalb der Blechtrennebene kann noch unterschieden werden, ob das Andocksystem im Flansch oder in der Aufweitzone liegt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, daß jedes Andocksystem mit spezifischen Vor- und Nachteilen behaftet ist, die bei unterschiedlichen Bauteilgeometrien unterschiedlich zum Tragen kommen können.

Die Auswahl eines Andocksystems für ein Bauteil hat demnach immer bauteilspezifisch zu erfolgen.
Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens betrachtete Abdichtung der Blechplatinen gegen das Umformmedium im Flansch hatte zum Ziel alleine über eine ausreichende Flächenpressung zwischen den Blechen, welche über die Pressen-Schließkraft eingeleitet wird, abzudichten.

Durch eine gezielte Steuerung der Pressen- Schließkraft in Abhängigkeit des Innendrucks kann hierbei einerseits eine ausreichende Abdichtung gegen den Innendruck erreicht werden und anderseits ein Nachlaufen des Werkstoffes aus dem Flansch ermöglicht werden. Die Untersuchungen zeigten, daß die hierzu erforderliche Dichtkraft stark von den sich im Flansch einstellenden lokalen Blechdickenzunahmen abhängen. So erfordern Bauteile mit größeren Ziehtiefen, die auch im Flansch größere lokale Blechdickenunterschiede aufweisen, höhere Dichtkräfte.

Die höheren Dichtkräfte haben auch indirekt höhere mittlere Flächenpressung zwischen Werkstück-Werkzeug im Flansch zu Folge und somit Einfluß auf die Formgebungsgrenzen und auf die tribologischen Anforderungen.
So konnten z.B. Bauteile mit einem fiktiven Ziehverhältnis von ß - 1,53 noch mit einem konventionellem Ziehöl ausgeformt werden. Bauteile mit einem fiktiven Ziehverhältnis von ß - 1,96 erforderten hingegen schon die Verwendung von Schmierstoffen, wie z.B. PTFE-Folie oder Wachs-Emulsion, die geringere Reibzahlen 1-1 aufweisen.

Die experimentellen Untersuchungen zur Konturausformung wurden anhand zweier Werkzeugsysteme durchgeführt. An einem sogenannten Werkzeugsystem der ersten Generation wurden rechteckige Bauteile, deren Halbschalen Ziehtiefen von bis zu 60 mm besaßen (Ziehverhältnis ß- 1,96) ausgeformt Mit diesem Werkzeug war es auch möglich asymmetrische Bauteile auszuformen, also Bauteile deren Halbschalen unterschiedliche Ziehtiefen besaßen, z.B. Unterhalbschale Ziehtiefe 30 mm und Oberhalbschale 60 mm.

Die Erprobung der Prozeßkette Konturausformen mittels lnnendruck, Schneiden von Aussparungen mittels Innendruck sowie der Einsatz der Druckfügetechnik im Umformwerkzeug erfolgte in einem weiteren Werkzeug, welches pro Halbschale zwei unterschiedliche Ziehtiefenniveaus aufweist. Mit diesem Werkzeug war es möglich ein komplexes hohlförmiges Bauteil aus zwei Blechplatinen auszuformen, zeitlich versetzt zwei Aussparungen in das Bauteil entweder mit oder gegen den Innendruck einzubringen sowie im Anschluß an die Innenhochdruck- Prozesse die beiden ausgeformten Halbschalen im Umformwerkzeug mittels der Druckfügetechnik an 5 Punkten zu verbinden.

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens, ein flexibles Fertigungssystem zur Herstellung hohlförmiger Bauteile mit dem Verfahren Innenhochdruck-Umformen von Blechen zu entwickeln, konnte somit erreicht werden.

Das Forschungsvorhaben „Anwendungsspezifische Weiterentwicklung des hydraulischen Rohr-Innendruck-Umformens zur Herstellung hohlförmiger Bauteile der Automobil- und Gerätebauindustrie“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.:. 10872N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 138 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

Zusammenfassung
1 Einleitung
2 Verfahrensdarstellung
2.1 Einteilung der Innenhochdruck-Umformverfahren
2.2 Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen
2.3 Innenhochdruck-Sehneiden (Lochen)
2.4 Fügen von Halbschalen mittels Druckfügen
2.5 Verfahrensfolge für das Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen
3 Werkzeuge
3.1 Versuchsanlage zum Innenhochdruck-Umformen
3.2 Werkzeug rechteckiger Napf- Werkzeug erster Generation -
3.3 Werkzeug der zweiten Generation
4 Andocksysteme
4.1 Andocksystem in der Blechtrennebene
4.1.1 Kreisrunder Andockstempel
4.1.2 Linsenförmiger Andockstempel
4.1.3 Andockstempel mit elastischen Dichtelementen
4.1.4 Weiter Aspekte zum Andocksystem in der Blechtrennebene
4.2 Andocksysteme außerhalb der Blechtrennebene
4.2.1 In der Aufweitzone
4.2.2 Weiter Aspekte zum Andocksystem außerhalb der Blechtrennebene in der Aufweitzone
4.2.3 Im Flansch
4.2.4 Weiter Aspekte zum Andocksystem außerhalb der Blechtrennebene im Flansch
5 Theoretische Betrachtungen - FE-Analyse des Verfahrens
5.1 Stadienfolge bei rechteckigem Bauteil (Werkzeug 1. Generation)
5.2 Formänderungsanalyse
5.3 Einfluß der Reibzahl auf den Werkstofffluß
5.4 Stadienfolge bei einem rechteckigen Bauteil mit unterschiedlichen Ziehtiefen (Werkzeug 2. Generation)
6 Abdichtung der Blechplatinen gegen den Innendruck
6.1 Zusammenhang zwischen Pressen-Schließkraftund Innendruck
6.2 Einflußgrößen auf die Dichtgrenze bzw. die Dichtkraft
6.3 Flächenpressung zwischen Werkstück und Werkzeug im Flansch
7 Umformergebnissse
7.1 Versuchswerkstoffe
7.2 Sensordaten
7.3 Versagensfälle
7.3.1 Abriß unterhalb der Ziehkante
7.3.2 Bersten in der Aufweitzone
7.3.3 Bersten in den Bauteilbodeneckradien
7.3.4 Stülpung in der Bauteilzarge
7.4 Erreichbare Ziehtiefen in Abhängigkeit des Schmierstoffes
7.5 Erreichbare Bodenradien ,
7.6 Wanddickenverläufe
7.7 Härtemessung
8 Erfahrungen mit der Durchsetzfügetechnik im Umformwerkzeug
9 Innenhochdruck-Lochen
9.1 Innenhochdruck-Lochen mit Schneidstempel
9.2 Innenhochdruck-Lochen mit Schneidring
10 Literaturverzeichnis
11 Bild-Anhang