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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Innenhochdruckumformverfahren für eine Aluminiumlegierung und
eine Vorrichtung davon, und ausdrücklicher betrifft sie ein Warm-Innenhochdruckumformverfahren
und eine Vorrichtung davon, welche in der Lage sind, Umformmerkmale
in dem Bereich der Warm-Umformtemperatur sicherzustellen unter Verwendung
von Dehnungsmerkmalen einer hochfesten Aluminiumrohrkomponente,
die von deren Temperatur abhängig
sind, und welche dadurch ein Rohr-Innenhochdruckumformverfahren
nacheinander durchführen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Innenhochdruckumformverfahren
ist ein Rohrumformverfahren unter Verwendung von hydraulischem Druck
und wird im Allgemeinen bei einem normalen Temperaturbereich zwischen
10 und 30 Grad Celsius durchgeführt.
Rohr-Innenhochdruckumformtechnologie wird weit verbreitet in der Automobilindustrie
angewendet. Zum Beispiel wird diese Technologie zur Herstellung
verschiedenen Komponenten eines Fahrzeuges, wie z. B. Karrosseriestrukturkomponenten,
angewendet und ist kostenwirksam.
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In jüngster Zeit sind anstatt Eisengruppenwerkstoffen
hochfeste Aluminiumlegierungen bei Innenhochdruckumformverfahren
weit verbreitet verwendet worden. Solche hochfesten Aluminiumlegierungen
haben schlechtere Umformmerkmale bei Raumtemperatur als Stahl. Deshalb
wird ein Erweichungsverfahren verwendet, um Umformmerkmale sicherzustellen,
und dann werden Innenhochdruckumformverfahren nacheinander durchgeführt. Das
Erweichungsverfahren erhöht
die Dehnung (%), während
die Festigkeit von Aluminiumwerkstoffen erniedrigt wird, und ein
Glühverfahren
wird als ein solches Erweichungsverfahren am weitesten verbreitet verwendet.
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Um die Umformmerkmale der hochfesten Aluminiumwerkstoffe
sicherzustellen, muss eine ausreichende Dehnung für den am
stärksten
verformten Abschnitt einer vollständig umgeformten Komponente
sichergestellt werden. Um zum Beispiel eine Dehnung von mehr als
20% sicherzustellen, muss das Erweichungsverfahren durchgeführt werden.
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Ein herkömmliches Aluminiumrohr-Innenhochdruckumformverfahren,
wie in der 8 bis 12 gezeigt, umfasst ein
Erweichungsverfahren für
ein hochfestes Aluminiumrohr 100, um die Dehnung zum Umformen
einer Komponente sicherzustellen (S110).
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Das Rohr 100 wird dann,
wie in der 9 gezeigt,
in eine untere Form 101 einer Pressmaschine geladen (S120).
Anschließend
drücken
in einem Zustand, in welchem die obere Form 103 sich senkt,
wie in der 10 gezeigt,
Hydraulikzylinder 105 und 107 das Rohr 100 axial
zusammen und erzeugen dadurch eine Dichtung in der Bohrung des Rohrs 100 (S130).
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Hydraulischer Druck wird dann in
das Rohr 100 eingespeist, so dass das Rohr 100 gegen
die umformenden Oberflächen 109 und 111 durch
den hydraulischen Druck und die Axialkraft gedehnt wird, die von
den Hydraulikzylindern 105 und 107 übertragen
wird (S140).
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Nach dem Innenhochdruckumformverfahren wird
das Rohr 100 aus den unteren und oberen Formen 101 und 103 genommen.
Die vollständig
umgeformte Rohrkomponente 100 wird dann einem Härtungsverfahren
unterzogen, damit sich ihre Festigkeit erhöht (S150).
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In einem solchen herkömmlichen
Rohr-Innenhochdruckumformverfahren ist ein Erweichungsverfahren
vor dem Innenhochdruckumformen unausweichlich. Jedoch kann ein solches
Erweichungsverfahren die Festigkeit des Werkstoffs drastisch verringern,
und das schadet der Qualität
des umgeformten Produktes. Außerdem
wird ein getrenntes Härtungsverfahren
nach dem Innenhochdruckumformverfahren benötigt. Ein solches Härtungsverfahren
kann ebenfalls die Produktqualität
negativ beeinträchtigen, und
auch die Herstellungskosten.
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Die in diesem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" offenbarten Informationen
sind nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrundes der
Erfindung und sollten nicht als ein Zugeständnis oder jede beliebige Form
von Vorschlag genommen werden, dass diese Informationen den Stand
der Technik bilden, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
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Deshalb ist eine Motivation der vorliegenden Erfindung,
eine Warm-Innenhochdruckumformverfahren für Aluminiumlegierungen und
eine Vorrichtung davon bereitzustellen, welche nacheinander Rohr-Innenhochdruckumformverfahren
durchführen,
nachdem die Umformmerkmale innerhalb eines vorherbestimmten Temperaturbereichs
unter Verwendung eines Dehnungsmerkmales einer hochfesten Aluminiumrohrkomponente
sichergestellt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung befindet sich ein Warm-Innenhochdruckumformverfahren
zum Umformen einer Rohrkomponente aus einer Aluminiumlegierung, die
in einer Innenhochdruckumformvorrichtung entlang einer umformenden
Oberfläche
einer unteren Form und einer oberen Form angeordnet ist, durch eine
zusammendrückende
Kraft von Hydraulikzylindern, die an beiden Enden der Rohrkomponente
angeordnet sind, und hydraulischen Druck, der der Rohrkomponente
zugeführt
wird, wobei das Innenhochdruckumformen der Rohrkomponente durchgeführt wird,
während
sie sich in einem erwärmten
Zustand befindet, indem umformender hydraulischer Druck in die Rohrkomponente
eingespeist wird, nachdem eine Temperatur der Rohrkomponente auf eine
vorherbestimmte Temperatur innerhalb eines vorherbestimmten Temperaturbereichs
erhöht
worden ist, in einem solchen Zustand derart, dass die Rohrkomponente
kurz vor dem Innenhochdruckumformen mit hydraulischem Druck beaufschlagt
wird.
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Es wird bevorzugt, dass der vorherbestimmte
Temperaturbereich ein Bereich zwischen 50 und 300 Grad Celsius ist.
Vorzugsweise wird der hydraulische Druck in die Rohrkomponente durch
eines der Medien Wasser, eine wasserlösliche Flüssigkeit und eine ölige Flüssigkeit
eingespeist, die als Druck übertragendes
Medium in dem vorherbestimmten Temperaturbereich verwendet werden
können.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass die
Rohrkomponente aus einem aluminiumbasierten Werkstoff gefertigt
ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Innenhochdruckumformverfahren
für Aluminiumlegierungen
folgendes: Laden einer Rohrkomponente, die aus einer Aluminiumlegierung
gefertigt ist, in eine Form einer Innenhochdruckumformvorrichtung;
Zusammenbringen einer oberen und einer unteren Form in einem Zustand,
in welchem die Rohrkomponente geladen ist, und Abdichten und axial
Zusammendrücken
der Rohrkomponente durch eine Betätigung eines Hydraulikzylinders,
der an jeder Seite der Rohrkomponente angeordnet ist; Einspeisen
eines hydraulischen Drucks bei einer hohen Temperatur innerhalb
eines vorherbestimmten Temperaturbereichs in die Rohrkomponente
durch den Hydraulikzylinder, und gleichzeitig Erwärmen der
Rohrkomponente auf eine vorherbestimmte Temperatur mit einer Heizeinheit;
Umformen der Rohrkomponente entlang umformender Oberflächen, die
auf der oberen Form und der unteren Form ausgebildet sind, indem
eine axial zusammendrückende
Kraft des Hydraulikzylinders bereitgestellt wird und indem hydraulischer
Druck in die Rohrkomponente eingespeist wird, wenn die Rohrkomponente
auf die vorherbestimmte Temperatur erwärmt ist; und Herausnehmen der
umgeformten Rohrkomponente aus der oberen und unteren Form und Kühlen der
Rohrkomponente.
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In noch einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Innenhochdruckumformvorrichtung
für eine
Aluminiumlegierung eine obere Form, eine untere Form, ein Paar von
Hydraulikzylindern und eine Heizeinheit. Die obere Form und die
untere Form definieren umformende Oberflächen für eine Rohrkomponente und drücken die
Rohrkomponente nach unten und nach oben zusammen. Die Hydraulikzylinder
sind ausgelegt, beide Seiten der Rohrkomponente axial zusammenzudrücken und
hydraulischen Druck zum Rohrumformen zuzuführen. Die Heizeinheit ist im
Inneren der oberen und unteren Form an Stellen angeordnet, die den
umformenden Oberflächen
der oberen und unteren Form entsprechen, und erwärmt die Rohrkomponente.
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Es wird bevorzugt, dass die Heizeinheit
eine Heizspirale ist, die als Reaktion auf ein elektrisches Signal
einer Steuereinheit betrieben wird, und die Heizspirale die Rohrkomponente
auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt.
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Die begleitenden Zeichnungen, welche
in der Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil dieser ausmachen,
veranschaulichen eine Ausführungsform
der Erfindung, und zusammen mit der Beschreibung dienen sie dazu,
die Prinzipien der Erfindung zu erklären, wobei:
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1 ein
Flussdiagramm für
ein Warm-Rohr-Innenhochdruckumformverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 bis 6 zeigen aufeinanderfolgende Zustände einer
Innenhochdruckumformvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
Verhältnisse
zwischen Zugfestigkeit und Dehnung gemäß Temperaturen einer hochfesten
Aluminiumlegierung (AL 7075);
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8 ist
ein Flussdiagramm für
ein Rohr-Innenhochdruckumformverfahren nach dem Stand der Technik;
und
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9 bis 12 zeigen aufeinanderfolgende
Zustände
der Innenhochdruckumformvorrichtung nach dem Stand der Technik.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben
werden.
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Das Warm-Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet die Variation des Dehnungsmerkmals
von Aluminiumlegierungen gemäß der Temperatur
und zwar derart, dass, falls die Temperatur von Aluminiumlegierungen
in einen hohen Bereich steigt (ungefähr zwischen 50 und 300 Grad
Celsius), ihre Festigkeit abnimmt und ihre Dehnung schnell zunimmt,
und falls die Temperatur zurück
in einen normalen Bereich sinkt (ungefähr zwischen 10 und 30 Grad
Celsius), ihre Festigkeit zunimmt und ihre Dehnung abnimmt auf die
ursprünglichen
Werte. Deshalb wird das Warm-Innenhochdruckumformverfahren gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einem hohen Temperaturbereich durchgeführt (ungefähr zwischen
50 und 300 Grad Celsius), ohne dass ein Erweichungsverfahren durch
thermische Behandlung durchgeführt
wird, so dass Umformmerkmale und gewünschte Festigkeit gleichzeitig
erhalten werden können.
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Eine Warm-Innenhochdruckumformvorrichtung
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in der 2 gezeigt, schließt eine untere Form 1 ein,
die in einem unteren Abschnitt einer Pressvorrichtung (nicht gezeigt)
angeordnet ist, und eine obere Form 5 ein, die über der unteren
Form 1 angeordnet ist. Die obere Form 5 wandert
nach unten in Richtung der unteren Form 1 und eine Rohrkomponente 3 wird
zwischen den unteren und oberen Formen 1 und 5 zusammengedrückt.
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Ein linker Hydraulikzylinder 7 und
ein rechter Hydraulikzylinder 9 sind jeweils auf beiden
Seiten der unteren Form 1 angeordnet, und sie sind ausgelegt, in
beide Enden der Rohrkomponente 3 eingeführt zu werden, so dass sie
die Rohrkomponente 3 axial zusammendrücken können und eine Dichtung in einer Bohrung
davon erzeugen können.
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Der linke und rechte Hydraulikzylinder 7 und 9 speisen
ein Druck übertragendes
Medium in die Rohrkomponente 3 ein, wodurch hydraulischer
Druck in die Rohrkomponente 3 eingespeist wird.
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Eine obere umformende Oberfläche 11 wird auf
der Unterseite der oberen Form 5 bereitgestellt, und eine
untere umformende Oberfläche 13 wird
auf der Oberseite der unteren Form 1 be reitgestellt.
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Eine Heizeinheit ist in der unteren
und oberen Form 1 und 5 hinter den umformenden
Oberflächen 11 und 13 angeordnet,
das heißt
an Stellen, die den umformenden Oberflächen 11 und 13 entsprechen.
Die Heizeinheit kann eine Heizspirale 21 sein, die als
Reaktion auf ein elektrisches Signal von einer Steuereinheit 20 arbeitet.
Die Heizspirale 21 ist ausgelegt, Wärme bis zu einer vorherbestimmten
Temperatur abzugeben. Auf diese Art und Weise erwärmt Wärme, die
von der Heizspirale 21 abgegeben wird, die Rohrkomponente 3 und
das Druck übertragende Medium
auf die vorherbestimmte Temperatur.
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In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird die Heizspirale 21 bereitgestellt, um die Rohrkomponente 3 auf
eine gewünschte
Temperatur zu erwärmen.
Jedoch kann ein Fachmann im einschlägigen technischen Gebiet leicht
erkennen, dass die Rohrkomponente 3 erwärmt werden kann, indem ein
heißes,
Druck übertragendes
Medium, das durch einen getrennten Heizapparat erwärmt wird,
in die Rohrkomponente 3 eingespeist wird, ohne dass die
Heizspirale 21 innerhalb der oberen und unteren Form 1 und 5 angeordnet
ist.
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Das Warm-Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann, wie in der 2 bis 6 gezeigt,
auf die oben angegebene Innenhochdruckumformvorrichtung wie folgt
angewendet werden.
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Zuerst wird die Rohrkomponente 3,
die zwischen der unteren und oberen Form 1 und 5 angeordnet
ist, entlang der umformenden Oberflächen 11 und 13 ausgedehnt
durch eine axiale zusammendrückende
Kraft, die durch die Hydraulikzylinder 7 und 9 bereitgestellt
wird, und durch den hydraulischen Druck, der in der Rohrkomponente 3 bereitgestellt wird.
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Während
dieses Prozesses wird eine Temperatur der Rohrkomponente 3 auf
eine vorherbestimmte Temperatur innerhalb eines vorherbestimmten
Temperaturbereichs durch die Heizspirale 21 kurz vor der
Dehnung der Rohrkomponente 3 angehoben, in einem solchen
Zustand derart, dass der hydraulische Druck in der Rohrkomponente 3 bereitgestellt
wird, und der umformende hydraulische Druck wird dann zuletzt in
der Rohrkomponente 3 bereitgestellt, so dass die Rohrkomponente 3 in
einem erwärmten
Zustand umgeformt wird.
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Das heißt, das Warm-Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt ein temperaturabhängiges Dehnungsmerkmal
der hochfesten Aluminiumlegierung.
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In dem vorherbestimmten Temperaturbereich
fällt die
Festigkeit der Rohrkomponente 3 leicht ab, aber deren Dehnung
steigt drastisch an, so dass eine ausreichende Formänderung
in diesem Temperaturbereich sichergestellt werden kann. Der vorherbestimmte
Temperaturbereich, in welchem sich die Dehnung der Rohrkomponente 3 drastisch
erhöht, kann
vorzugsweise in einem Bereich zwischen 50 und 300 Grad Celsius liegen.
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7 zeigt
Verhältnisse
zwischen Zugfestigkeit und Dehnung der Rohrkomponente 3 (gefertigt aus
Aluminiumlegierungswerkstoff (AL 7075)) gemäß der Temperatur. Bezugnehmend
auf die 7 liegt in einem
normalen Temperaturbereich zwischen 25 und 100 Grad Celsius die
Zugfestigkeit zwischen 570 MPa und 525 MPa (Mega-Pascal) und die
Dehnung liegt zwischen 11% und 14%. In einem hohen Temperaturbereich
jedoch (zwischen 150 und 300 Grad Celsius) nimmt die Zugfestigkeit
drastisch ab auf einen Bereich zwischen 285 MPa und 40 MPA, aber
die Dehnung erhöht
sich drastisch auf einen Bereich zwischen 23% und 70%.
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Da das Warm-Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird,
muss ein hydraulischer Werkstoff (ein Druck übertragendes Medium), der in
dem hohen Temperaturbereich (zum Beispiel 50 bis 300 Grad Celsius)
Stabilität
aufweist, als das hydraulische, Druck übertragende Medium verwendet
werden.
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Wasser, eine wasserlösliche Flüssigkeit
oder eine ölige
Flüssigkeit,
die als ein Druck übertragendes
Medium in dem vorherbestimmten Temperaturbereich (zwischen 50 und
300 Grad Celsius) verwendet werden können, können als ein Druck übertragendes
Medium von den Hydraulikzylindern 7 und 9 verwendet
werden. Ausdrücklicher
kann in der vorliegenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Silikonöl als der Hydraulikwerkstoff verwendet
werden.
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In dem Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Aluminiumlegierung-Rohrkomponente 3 zuerst
zwischen die untere und obere Form 1 und 5 geladen
(S10).
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Die untere und obere Form 1 und 5 werden dann
zusammen gebracht und die Hydraulikzylinder 7 und 9 werden
an beide Seiten der Rohrkomponente 3 gekoppelt, wodurch
sie die Rohrkomponente 3 abdichten und die Rohrkomponente 3 axial
zusammendrücken
(S20).
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Unter dieser Bedingung wird Hydraulikwerkstoff
bei einer hohen Temperatur innerhalb eines vorherbestimmten Temperaturbereichs
in die Rohrkomponente 3 eingespeist und die Rohrkomponente 3 wird
gleichzeitig auf die vorherbestimmte Temperatur erwärmt durch
Wärme,
die von der Heizspirale 21 abgegeben wird (S30).
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Wenn die Rohrkomponente 3 auf
die vorherbestimmte Temperatur erwärmt wird, nimmt die Festigkeit
der Rohrkomponente 3 leicht ab und deren Dehnung erhöht sich
drastisch, so dass die Rohrkomponente 3 entlang der umformenden
Oberflächen 11 und 13 umgeformt
wird durch die zusammendrückende
Kraft der Hydraulikzylinder 7 und 9 und den hydraulischen
Druck, der in die Rohrkomponente 3 eingespeist wird (S40).
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Zuletzt, nach der Warm-Innenhochdruckumformung,
wird die umgeformte Rohrkomponente 3 aus der unteren und
oberen Form 1 und 5 genommen und wird dann gekühlt. Die
Rohrkomponente 3 erlangt wieder ihre Festigkeit bei der
ursprünglichen normalen
Temperatur und die Dehnung der Rohrkomponente 3 verringert
sich wesentlich. Deshalb erlangt die Rohrkomponente 3 wieder
ihre mechanischen Merkmale der normalen Temperatur (S50).
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Wie in dem Obigen angegeben ist,
nutzen das Warm-Innenhochdruckumformverfahren und die Warm-Innenhochdruckumformvorrichtung
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Dehnungsmerkmale der hochfesten Aluminiumlegierung
gemäß ihrer
Temperatur, und das Rohr-Innenhochdruckumformen wird in einem Zustand
ausgeführt,
in welchem die Umformmerkmale in einem vorherbestimmten Temperaturbereich
sichergestellt werden.
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Deshalb können in dem Warm-Innenhochdruckumformverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung Erweichungs- und Härtungsprozesse
des herkömmlichen
Innenhochdruckumformverfahrens beseitigt werden, so dass die Umformqualität und Produktivität verbessert
werden können.
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Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ausführlich
zuvor beschrieben worden sind, sollte klar verstanden werden, dass
viele Variationen und/oder Modifikationen der hier gelehrten grundlegenden
erfinderischen Konzepte, welche sich dem Fachmann in dem vorliegenden
Fachgebiet zeigen können,
immer noch in den Geist und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung,
wie in den angehängten
Ansprüchen
definiert, fallen werden.
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Durch diese Beschreibung und die
Ansprüche,
welche folgen, hindurch wird, sofern nichts gegenteiliges beschrieben
ist, das Wort "umfassen" oder Variationen
wie "umfasst" oder "umfassend" zu verstehen sein,
dass es den Einschluss von angegebenen Elementen impliziert, aber
nicht den Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen.