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Dokumentenidentifikation DE102005049460A1 26.04.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Zusammenbaus
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Petersen, Jochen, Dipl.-Ing., 21423 Winsen, DE
DE-Anmeldedatum 15.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049460
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse B23K 20/12(2006.01)A, F, I, 20051015, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Zusammenbaus aus einem Hohlprofil (1) und einem Anbauteil (2). Das Hohlprofil (1) wird mittels fluidischen Innenhochdrucks umgeformt und mit dem Anbauteil (2) durch Reibschweißen unter Ausbildung des Zusammenbaus verbunden. Um die Herstellung des Zusammenbaus mit verringertem Aufwand bei Gewährleistung einer guten Haltbarkeit zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Anbauteil (2) im geschlossenen Innenhochdruckumformwerkzeug (5), in dem das Hohlprofil (1) umgeformt wird, mit diesem an dessen Umfang mittels einer in das Umformwerkzeug (5) integrierten Reibschweißvorrichtung (11, 16) reibverschweißt wird. Die Reibschweißvorrichtung (11, 16) ist in einer Führungsbohrung (9) des Umformwerkzeugs (5) hub- und drehbeweglich verstellbar angeordnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zusammenbaus gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung dazu gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Ein gattungsgemäßes Verfahren beziehungsweise eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 199 62 958 C2 bekannt. Dort werden zwei Metallrohre unterschiedlichen Querschnitts fluchtend zueinander angeordnet, mit ihrem jeweiligen zugewandten Ende aneinandergesetzt und mittels einer Reibschweißvorrichtung aneinander reibverschweißt. Anschließend wird dieser Reibschweißverbund in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt und mittels fluidischen Innenhochdrucks in eine gewünschte Endform aufweitend umgeformt. Der bekannte Zusammenbau erfordert dabei zwei separate Arbeitsstationen und bedarf einer relativ langen Prozesszeit, da der Zusammenbau zum einen von der Reibschweißstation in die Innenhochdruckumformanlage getaktet werden muss und zum anderen durch die Herstellungsfolge von Reibschweißen und Innenhochdruckumformen sich addierenden Einzelherstellungszeiten unterliegt.

Weiterhin ist aus der DE 102 31 129 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Zusammenbaus bekannt, bei dem zuerst ein zylindrisches Rohr in ein Hohlprofil rechteckigen Querschnitts umgeformt und anschließend mit einem massiven Achsschenkelbolzenträger endseitig reibverschweißt wird. Auch hier entstehen zwei Einzelprozesszeiten, die für eine relativ lange Gesamtprozesszeit sorgen. In gleicher Weise ist auch der Herstellungsaufwand relativ groß, da zwei separate Arbeitsstationen zum Reibschweißen und zum Innenhochdruckumformen bereitgestellt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass die Herstellung des Zusammenbaus mit verringertem Aufwand bei Gewährleistung einer guten Haltbarkeit ermöglicht wird. Des Weiteren soll eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruches 5 hinsichtlich der Vorrichtung gelöst.

Auf Grund der Integrierung der Reibschweißvorrichtung in das Innenhochdruckumformwerkzeug und der Reibverschweißung des Anbauteils am Umfang des Hohlprofils fällt zum einen eine separate Arbeitsstation gegenüber bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren weg, was den apparativen Aufwand erheblich minimiert. Des Weiteren entfällt ein Transport zwischen zwei getrennten Arbeitsvorrichtungen, wodurch die Prozesszeit zur Herstellung des Zusammenbaus verkürzt wird. Weiterhin ist es nun möglich, den Reibschweißvorgang während der Innenhochdruckumformung ablaufen zu lassen, so dass die Gesamtprozesszeit zur Herstellung des Zusammenbaus ganz entscheidend minimiert wird. Durch Beibehaltung des Reibschweißverfahrens zum Fügen des Hohlprofils mit dem Anbauteil wird eine gute Haltbarkeit des Zusammenbaus gewährleistet. Im Gegensatz zu bisher vergleichbaren reibgeschweißten Zusammenbauten, die lediglich eine lineare Verlängerung der Einzelbauteile darstellen, kann erfindungsgemäß ein sehr komplexer Zusammenbau auf engem Bauraum ermöglicht werden. Darüber hinaus ist es nun möglich, in einfacher Weise winklige Zusammenbauten hoher Festigkeit auszubilden. Das Reibschweißverfahren zeichnet sich gegenüber anderen Fügeverfahren mechanischer Art dadurch aus, dass die Festigkeit auf Grund des erreichten Stoffschlusses zwischen den miteinander verschweißten Bauteilen besonders hoch ist. Es soll hierbei noch einmal betont werden, dass die Verfahrensökonomie des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders groß ist, da sich die Einzelprozesszeiten von Innenhochdruckumformung und Reibschweißvorgang in beträchtlichem Umfang überlappen oder gar identisch sein können. Zudem gibt es keine Probleme bei der Positionierung des Anbauteils zum Hohlprofil und auch keine daraus entstehenden Positionierungstoleranzen, da die Positionierung durch das Innenhochdruckumformwerkzeug übernommen wird. Die Abmessungen der Gravur für das umzuformende Hohlprofil und der Aufnahmebohrung für das Anbauteil sind hochpräzise ausgebildet, so dass keine Anordnungsschwankungen zwischen den beiden zu fügenden Teilen entstehen, die zu den besagten Toleranzen führen.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird bei der aufweitenden Umformung am Hohlprofil ein Nebenformelement ausgeformt, welches mit dem Anbauteil reibverschweißt wird. Durch die Erwärmung aus dem Reibschweißprozess, der schon während der Innenhochdruckumformung stattfinden kann, wird die Ausformbarkeit des Hohlprofils gesteigert, wodurch höhere Umformgrade bei der Umformung des Hohlprofils erzielt werden und gegebenenfalls dabei gleichzeitig die Prozesszeit für die Umformung verringert werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 erfolgt die Reibverschweißung mit Umformungsabschluss des Hohlprofils bei herrschendem Innenhochdruck. Dadurch wird zum einen eine Taktsynkronizität der beiden Arbeitsschritte erzielt und zum anderen erreicht, dass die Kontur des durch die Innenhochdruckumformung präzise ausgeformten Hohlprofils durch die im Reibschweißverfahren auftretende Stauchkraft nicht beeinflusst wird und somit keine unerwünschten Eindrückungen oder Einfallungen im Bereich der Fügestelle zwischen dem Anbauteil und dem Hohlprofil auftreten.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 erfolgt die Reibverschweißung bei einem Stützdruck des gespannten Druckfluids innerhalb des Hohlprofils, der geringer ist als der Umformdruck während der Umformung des Hohlprofils. Durch die mit dem Reibschweißen einhergehende Schweißwärme kann während der Umformung besonders bei hohen Umformdrücken das Hohlprofil Risse erhalten oder gar bersten, was zu einem Ausschussteil und eventuell sogar zu einer Schädigung des Umformwerkzeuges führen kann. Durch die Absenkung des Fluiddruckes auf einen Stützdruck, der unterhalb eines Umformdruckes liegt, wird die Berstgefahr unterbunden und die Prozesssicherheit der Herstellung des Zusammenbaus ganz erheblich gesteigert. Um die Umformung nicht zu behindern, wird die Absenkung des Fluiddruckes erst im Zeitpunkt der vollendeten Ausformung des Hohlprofils oder kurz danach vorgenommen. Der Stützdruck reicht ebenfalls aus, um Eindrückungen aus dem Reibschweißprozess zu verhindern.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 6 beinhaltet die Vorrichtung einen Gegenhalter zur Abstützung des Hohlprofils während der aufweitenden Umformung, der mit dem Umformfortschritt unter bleibender Anlage am Hohlprofil zurückweicht. Der Gegenhalter bildet dabei die Reibschweißvorrichtung. Durch die Funktionserweiterung des Gegenhalters durch die Übernahme der Eigenschaften einer Reibschweißvorrichtung wird der gesamte apparative Aufwand enorm verringert. Eine separate Reibschweißvorrichtung kann nämlich entfallen, was auch eine Bauraumeinsparung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit sich bringt. Gleichzeitig wird das Herstellungsverfahren vereinfacht, da die Einbringung der Reibschweißwärme bereits in der Zurückweichbewegung des Gegenhalters erfolgen kann, so dass genau im Zeitpunkt der abgeschlossenen Ausformung zur Ausführung der Reibverschweißung lediglich ein letzter Anstieg der Schweißtemperatur und die Aufbringung der Stauchkraft von Nöten ist. Dies führt ebenfalls zu einer Zeitersparnis im Herstellungsprozess des Zusammenbaus.

Prinzipiell ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, das Anbauteil mit dem Hohlprofil bereits in einer frühen Phase der Umformung reibzuverschweißen, wenn die Fügestelle zwischen dem Anbauteil und dem Hohlprofil in einem Bereich gelegen ist, in dem nur eine geringe Umformung stattfindet. An anderer Stelle des Hohlprofils können dabei schadensfrei und unbeeinträchtigt Ausformungen höheren Umformgrades durchaus erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt:

1 in einem seitlichen Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer als Gegenhalter ausgebildeten Reibschweißvorrichtung,

2 in einem seitlichen Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Reibschweißvorrichtung, die in einem Bereich geringen Umformgrades angeordnet ist.

Gegenüber anderen Schweißverfahren, die beim Fügen des Anbauteils an das Hohlprofil in Frage kämen, zeichnet sich das Reibschweißen im Innenhochdruckumformwerkzeug dadurch vorteilhaft aus, dass in diesem keine elektrischen Leitungen wie beim Induktions- oder Punktschweißen verlegt und auch keine Elektroden im Umformwerkzeug untergebracht werden müssen. Vergleichsweise kommt das Reibschweißen zur Bildung einer festen und haltbaren Schweißverbindung mit einer relativ geringen Schweißleistung aus. Bei elektrischen Schweißverfahren baut sich nämlich ein Magnetfeld auf, das das umliegende Werkzeug, hier das Innenhochdruckumformwerkzeug, magnetisiert. Durch die dazu aufgebrachte Leistung wird die Schweißenergie zur Ausführung des Schweißvorgangs in erheblichem Maße verringert, so dass zur Erzielung eines guten Schweißergebnisses ein sehr viel höherer Leistungsinput zur Verfügung gestellt werden muss als eigentlich erforderlich wäre. Beim Reibschweißen entfällt ein derartiges Magnetfeld, so dass eine haltbare Schweißung mit geringen Schweißleistungen ausgeführt werden kann.

In 1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines Zusammenbaus aus einem Hohlprofil 1 und einem Anbauteil 2 dargestellt, welche ein in ein Oberwerkzeug 3 und ein Unterwerkzeug 4 geteiltes Innenhochdruckumformwerkzeug 5 zur Umformung des Hohlprofils 1 beinhaltet. Die Vorrichtung beinhaltet des Weiteren zwei Axialstempel 6, die in die Enden 7 des Hohlprofils 1 eingeführt sind und diese dabei abdichten. Die Axialstempel 6 weisen einen zentralen Druckfluidkanal 8 auf, über den das Hohlprofil 1 zur Umformung mit einem Druckfluid befüllt wird. Im Unterwerkzeug 4 des Innenhochdruckumformwerkzeuges 5 ist ein Abzweig 9 der den Formraum für das Hohlprofil 1 bildenden Gravur 10 des Umformwerkzeuges 5 ausgebildet, der eine Führungsbohrung des Umformwerkzeug 5 bildet, in welcher eine stempelartige Reibschweißvorrichtung 11 hub- und drehbeweglich verstellbar angeordnet ist und die somit in die Gravur 10 ausmündet. Die Reibschweißvorrichtung 11 weist in ihrer Stirnseite 12 eine zur Gravur 10 des Umformwerkzeugs 5 hin offene Aufnahme 13 auf, in der das Anbauteil 2 bündig mit der Aufnahmenöffnung 14 eingelassen ist.

Zur Herstellung des Zusammenbaus wird einerseits das Hohlprofil 1 in die Gravur 10 des Innenhochdruckumformwerkzeugs 5 eingelegt und andererseits das Anbauteil 2 in die Aufnahme 13 der Reibschweißvorrichtung 11 eingebracht. Nach Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeugs 5 und Abdichten des Hohlprofils 1 durch Einschieben der Axialstempel 6 wird das Hohlprofil 1 über die Druckfluidkanäle 8 der Axialstempel 6 mit einem Druckfluid befüllt. Das Druckfluid wird anschließend gespannt, wodurch sich das Hohlprofil 1 bis zur Anlage an der Gravur 10 aufweitet. Während der Aufweitung wird das Hohlprofilmaterial in den Abzweig 9 hineingepresst, welches dort von der Stirnseite 12 der Reibschweißvorrichtung 11 zur Wahrung der Prozesssicherheit abgestützt wird. Die Reibschweißvorrichtung 11 bildet hierbei einen Gegenhalter für das expandierende Hohlprofilmaterial. Mit Ausformungsfortschritt weicht die Reibschweißvorrichtung 11 zurück, bis die gewünschte Ausformungslänge des sich aus dem Hohlprofil 1 im Abzweig 9 ausbildenden Nebenformelements 15 erreicht ist. Schon bei Beginn der Ausbreitung des Hohlprofilmaterials in den Abzweig 9 hinein wird die Reibschweißvorrichtung 11 gemäß der Pfeilrichtung in Rotation gebracht und damit das Hohlprofil 1 an dieser Stelle auf einen gehobenen Temperaturlevel gebracht. Dieser Level wird bei Ausformungsende noch einmal erheblich gesteigert, wodurch die nötige Schweißwärme aufgebracht wird. Gleichzeitig wird die Reibschweißvorrichtung 11 gemäß der entsprechenden Richtung des Doppelpfeils gegen das Nebenformelement 15 gepresst, wodurch das Anbauteil 2 mit dem Nebenformelement 15 reibverschweißt wird. Durch die Verschweißung des Anbauteils 2 mit dem Nebenformelement 15 wird das Anbauteil 2 quasi am Umfang des Hohlprofils 1 angeschweißt. Zu erwähnen ist noch, dass während der aufweitenden Umformung die Stirnseite 12 der Reibschweißvorrichtung 11 bleibend am Nebenformelement 15 anliegt, obwohl die Reibschweißvorrichtung 11 mit dem Umformfortschritt in der Führungsbohrung zurückweicht. Weiterhin wird nach Umformabschluss und vor der Reibverschweißung der Innenhochdruck im Hohlprofil 1 auf einen Stützdruck unterhalb des Umformdrucks abgesenkt. Anschließend wird das Druckfluid entspannt, die Axialstempel 6 unter Freigabe der Enden 7 des Hohlprofils 1 zurückgezogen und danach das Innenhochdruckumformwerkzeug 5 durch Anheben des Oberwerkzeuges 3 vom Unterwerkzeug 4 geöffnet. Sodann wird der fertig ausgebildete Zusammenbau aus Hohlprofil 1 und Anbauteil 2 der Gravur 10 entnommen, wonach die Aufnahme 13 der Reibschweißvorrichtung 11 mit einem neuen Anbauteil 2 bestückt wird. Die Reibschweißvorrichtung 11 fährt dann in der Führungsbohrung soweit vor, bis ihre Stirnseite 12 mit der Gravur 10 bündig abschließt.

In Abweichung zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel zeigt 2 eine Integrierung einer Reibschweißvorrichtung 16 in das Innenhochdruckumformwerkzeug 5 an einer Stelle 17 der Gravur 10, an der der Umformgrad des Hohlprofil 1 nur gering ist. Die Stirnseite 18 der stempelförmigen Reibschweißvorrichtung schließt gemeinsam mit dem Anbauteil 2, das in der in der Stirnseite ausgebildeten Ausnehmung 19 eingelassen ist, während der gesamten Umformdauer des Hohlprofils 1 bündig mit der Gravur 10 ab. Die Reibschweißvorrichtung 16 weicht somit nicht mit dem Umformfortschritt zurück, da an der Stelle 17 auch keine Nebenformelemente 15 oder Ähnliches ausgeformt werden. Das Hohlprofil 1 wird im Bereich dieser Stelle 17 lediglich geringfügig querschnittserweitert. Das sich im Abzweig 9 ausbildende Nebenformelement 15 liegt nun an der Stirnseite 20 eines Gegenhalters 21 an, der eine ausschließlich abstützende Funktion innehat. Gemäß der Pfeilrichtung weicht der Gegenhalter 21 mit zunehmendem Umformfortschritt nach außen zurück. Da sich verfahrenstechnisch das Hohlprofil 1 an der Stelle 17 geringer Umformung relativ frühzeitig an der dortigen Gravur 10 anlegt, kann das Anbauteil schon frühzeitig am Hohlprofil 1 per Reibschweißung angeschweißt werden, obwohl das Hohlprofil 1 im Bereich des Abzweiges 9 noch in der Umformung zum Nebenformelement 15 begriffen ist. Es kann aber auch sein, dass sich die Reibschweißvorrichtung 16 mit Beginn der Umformung gemäß der Pfeilrichtung zu drehen beginnt, wodurch nach Anlage des Hohlprofils 1 an der Stelle 17 an der Gravur 10 erwärmt wird. Dies dient zur Vorbereitung für die endgültige Reibverschweißung. Bei Abschluss der Umformung, dass heißt, wenn das Nebenformelement 15 gänzlich ausgebildet ist, wird die Drehreibung durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Reibschweißvorrichtung 16 erhöht, so dass die erforderliche Schweißhitze erreicht wird. Gleichzeitig wird die Reibschweißvorrichtung 16 gegen das anliegende Hohlprofil 1 gepresst, wodurch die Reibverschweißung erfolgt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen nach den 1 und 2 kann die Ausformung des Nebenformelements 15 durch Nachschieben von Hohlprofilmaterial mittels der Axialstempel 6 zum Abzweig 9 hin unterstützt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen eines Zusammenbaus aus einem Hohlprofil und einem Anbauteil, wobei das Hohlprofil mittels fluidischen Innenhochdrucks umgeformt wird und wobei das Hohlprofil mit dem Anbauteil durch Reibschweißen miteinander unter Ausbildung des Zusammenbaus verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (2) im geschlossenen Innenhochdruckumformwerkzeug (5), in dem das Hohlprofil (1) umgeformt wird, mit diesem an dessen Umfang mittels einer in das Umformwerkzeug (5) integrierten Reibschweißvorrichtung (11, 16) reibverschweißt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der aufweitenden Umformung am Hohlprofil (1) ein Nebenformelement (15) ausgeformt wird, welches mit dem Anbauteil (2) reibverschweißt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibverschweißung mit Umformungsabschluss des Hohlprofils (1) bei herrschendem Innenhochdruck erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibverschweißung bei einem Stützdruck des gespannten Druckfluids innerhalb des Hohlprofils (1) erfolgt, der geringer ist als der Umformdruck während der Umformung des Hohlprofils (1). Vorrichtung zum Herstellen eines Zusammenbaus aus einem Hohlprofil und einem Anbauteil, mit einem Innenhochdruckumformwerkzeug zur Umformung des Hohlprofils und mit einer Reibschweißvorrichtung zur Verbindung des Hohlprofils mit dem Anbauteil unter Ausbildung des Zusammenbaus, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißvorrichtung (11, 16) in das Innenhochdruckumformwerkzeug (5) integriert ist und eine zur Gravur (10) des Umformwerkzeuges (5) hin offene Aufnahme (13, 19) für das Anbauteil (2) aufweist, wobei die Reibschweißvorrichtung (11, 16) in einer Führungsbohrung (9) des Umformwerkzeuges (5) hub- und drehbeweglich verstellbar angeordnet ist, die in die Gravur (10) ausmündet. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gegenhalter zur Abstützung des Hohlprofils (1) während der aufweitenden Umformung beinhaltet, der mit dem Umformfortschritt unter bleibender Anlage am Hohlprofil (1) zurückweicht, und dass der Gegenhalter die Reibschweißvorrichtung (11) bildet.






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