WKF – Kolloquium Siegen, 27.Juni 2005 · Maschine Logistik Kalkulation CAD Berechnung Design...

WKF – Kolloquium

Siegen, 27.Juni 2005

Einsatzpotential des Innenhochdruck-Umformens (IHU)

Quelle: Schuler

Potentiale des Innenhochdruckumformens

Folie 2


WKF Kolloquium: Einsatzpotential des IHU

Verfahrensgrenzen

Verfahrensdarstellung

AnwendungF

F

FF

FF

F

FF

FF

F

FF

F

PotentialeF

F

FF

FF

F

FF

FF

F

FF

F

Folie 3


Umformen mit flüssigenWirkmedien

Innenhochdruck-Umformen von

Hohlprofilen

Innenhochdruck-Umformen von

Blechen

Innenhochdruck-Umformen

Tiefziehen mit flüs-sigen Wirkmedien

Quelle: VDI Richtlinie 3146, Blatt 1

Das Verfahren - Darstellung

Folie 4

Potentiale des InnenhochdruckumformensCopyright: Schuler Hydroforming GmbH &


Quelle: Schuler

Folie 5


Werkzeuggebundene Umformung

Stempel

Niederhalter

Matrize

Blech


Kontur Seite durch Matrize

Kontur Boden durch Stempel

Folie 6


Werkzeug

vorgebogenesRohr


Freie Umformung

Folie 7


freie Umformung WkzgebundeneUmformungMaterialtransport

WkzgebundeneUmformungKalibirieren


Zwischenformen bei der IHU-Umformung von Rohren

Folie 8


Innenhochdruck-Umformen von verschweißten BlechenMögliche Prozesskette

Zuschnitt

Endenbeschnitt

IHU-Lochen

nach außen

nach innen

Laserschweißen IHU-Ausformen

EntleerenBauteil

Bildquelle: Krupp Drauz GmbH

IHU von Blechen


Folie 9



Arbeitsdiagramm des IHU - Darstellung von Verfahrensgrenzen

Folie 10


Quelle: VDI-Richtlinie Nr. 3146, Blatt 1

Versagensfälle

Verfahrensgrenzen

Folie 11


Unvollständige Formausfüllung

Formabweichungdes Querschnitts

Riefen/Kratzer/Quetschungen

Fertig-teilfehlerFertig-

teilfehler

FertigteilfehlerÜbersicht

Risse an derProfilinnenseite

Abzeichnung derWerkzeugtrennfuge

oder Trennlinie

Verfahrensgrenzen

Folie 12

Potentiale des Innenhochdruckumformens12

Kühlerrahmen

gebaute NockenwelleAbgaskrümmer

Kühlrohre

Stoßfänger

Überrollbügel

Sicherheitselemente z.B.: • crash-box• Türverstärkung

Achselemente z.B.: • hinteres Achstragrohr

Antriebswellen

Querträger

Rahmenstrukturteile• A....D - Säule• Längsträger / Schweller• Türrahmen

Integralträger

SitzrahmenDachrahmen

Quelle: Daimler Chrysler ( Werk Hamburg)

Anwendung - Automotive

Folie 13


+ +

SchließrohrQuerlenker

VW-A-Plattform-Allrad-Hinterachse (Golf IV, Bora, Audi A3, Audi TT Quattro)

Hauptrohr• 3 Hydroform-Bauteile statt 7 Halbschalen-Bauteile• bis 60% höhere Festigkeit• 80 % Schweißnähte gespart


Quelle: Schuler

Folie 14


Vergleich konventionelle Achse zu Hydroforming-Bauweise

Typische konventionelle Bauweise

8 Blech-Halbschalen8 Schweißnähte

Hydroform-Motorträger

1 Hydroform-Bauteil, 1 Brücke2 Schweißnähte


Quelle: Schuler

Folie 15


komplexe Geometrien einteilig herstellbar

Integration zusätzlicher Fertigungsoperationen in das Umformwerkzeug möglich

weniger Einzelteile / Integralbauweise

weniger Fertigungsstufen

geringes Bauteilgewicht

hohe und homogene Bauteilsteifigkeit

gutes Crashverhalten aufgrund belastungsoptimierter Bauteilgeometrien

hohe Form- und Maßgenauigkeit aufgrund geringer Rückfederung

gutes Korrosionsverhalten wegen geringer Anzahl gefügter Teile

VorteiledesIHU

Potentiale

Folie 16


Wechselbeziehungen in der Fertigungstechnik

Material

Verfahren Konstruktion

Maschine

Logistik

Kalkulation

CAD

Berechnung

Design

Crash

Fügen

Umformen

Bauteil

Potentiale

Folie 17


Anforderungen Automobilindustrie:Erfüllung der Sicherheitsanforderungen( New Car Assessment Program )Erheblich verringerter KraftstoffverbrauchVerbesserte UmweltverträglichkeitKostengünstige Großserien-Produktion

→ Trend zum LEICHTBAU

Anforderung und Potential

Folie 18


… ist nicht die Werkstoffsubstitution

… ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik

Konstruktions-technik

Werkstoff-technik

Fertigungs-technik

Fertigungs-technik

Umformtechnik

Verbindungs-technik

Leichtbau:


Folie 19


Stah

l und

Eise

n

Elas

tom

ere

Sons

tige

Kun

stst

offe

Alu

min

ium

Sons

tige

NE-

Met

alle

Baujahr 2005

Baujahr 1995Baujahr 1985

Baujahr 1975

74

13

6 3 4

68

13

5 4

63

1413

6 4

55

14 15

106

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10

Trotz Zunahme von Kunststoff-, Aluminium- und Magnesiumkomponenten hat der Pkw Leichtbau die Entwicklung von höher- und hochfesten Stählen forciert

Werkstoffverteilung beim PKW

in Deutschland (Gewichts-%)Werkstoffverteilung beim PKW


Folie 20


0

10

20

30

40

50

60

70

0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]

Bru

chde

hnun

g [%

]

Weiche Tiefziehgüten

Martensitische StähleTRIP-StähleDP-/MP-Stähle

CMnHöherfeste mikrolegierte Stähle

BH-StähleHöherfeste IF-Stähle

IF-Stähle

Isotrope Stähle

LSS< 210 MPa

UHSS> 550 MPa

HSS210 - 550 MPa

Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung


Folie 21


0

10

20

30

40

50

60

70

0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]

Bru

chde

hnun

g [%

]

Warmumformung

Walzprofilieren und Biegen

Tiefzieheneinfache Geometrie

Tiefziehenkomplexe Geometrie

Halbwarm-umformung

Umformverfahren (Prozesse)


HSD Stahle

IHUHydromec

Folie 22


Materialwerte aus dem Zugversuch

Annahme:Wandstärke

und Festigkeit über

gesamtes Bauteil gleich

Materialwerte des

umgeformten Teils

→ Mapping

Unterschiedliche Wanddicken und Festigkeiten als

Funktion des Werkstoffes und

des Umformprozesses

Umformsimualtion

Crash Simulation auf der Basis unterschiedlicher Eingabedaten


Folie 23



Quelle: Gestamp

Folie 24


BaseMapping

ohneMapping mit Mapping

Zunahme der Wanddicke

Mapping Daten für die Crash-Simulation


Spec

ific

Def

orm

atio

n

Displacement

Folie 25


Mapping Daten unterschiedlicher Umformverfahren

True Strain ϕ [-]

Stre

ss [M

Pa]

Tiefziehen Hydroforming


Folie 26


IHU von Blechen


Folie 27


Biegenbegrenzte Radiusgestaltung

Biegenbegrenzte Radiusgestaltung

AnwendungsgrenzenIHU

IHU NachschiebenBegrenzte

Aufweitlänge

IHU NachschiebenBegrenzte

Aufweitlänge

IHUBegrenzte

Umfangsgestaltung

IHUBegrenzte

Umfangsgestaltung

FügenAlternative

Fügeverfahren

FügenAlternative

Fügeverfahren

IHUTaktzeiten

IHUTaktzeiten

9,0

0,0

0,6

3,0

1,0

0,81,5

1,2

0,0

0,9

4,02,3

3,6

0,5

1,7

3,3

0,0

3,4

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0

Reserve

Handling

Pressure intensifier home position

Open press

Retract ram lock (only SHP-U)

Retract seal punches

Pressure relieve press

Relieve internal pressure

Hole piercing

Calibrate

Hydroform

Axial cylinders advance

Quickfilling

Pressure build-up main pump

Introduce ram lock (only SHP-U)

Close tool

Slow down press

Close press

Cycletime [s]

Component: Engine CradlePress: SHP 50.000Cycle Time: 29,8 SecondsStart-up: 1997

Anwendungsgrenzen

IHU KalibrierenBegrenzte

Radiengestaltung

IHU KalibrierenBegrenzte

Radiengestaltung

Folie 28


Große komplexe Bauteile erhöhen Schließkraft und Taktzeit

Erforderlicher Druck: 400 bar

Erforderlicher Druck: 150 bar

Kalibrierdruck für begrenzte Bereiche wirkt über gesamte Bauteilfläche: → hohe Schließkraft


Folie 29


Freistrahl

Lanze

Blech


Inkrementelles IHU.

Lokal hohe Drücke Arbeiten im Freistrahl → niedrige Schließkräfte. Nahezu konstant für unterschiedliche Bauteile (Skalierbare Anlage)

Folie 30


Variante Druckrichtung Werkzeug

innen ohne

innen partiell

innen komplett


Inkrementelles IHU - Verfahrensvarianten

Folie 31


Variante Druckrichtung Werkzeug

außen ohne

außen partiell

außen komplett


Inkrementelles IHU - Verfahrensvarianten

Folie 32


Begrenzte Bauteilradien

Erforderlicher Innendruck zur Radienausbildung

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

500100015002000250030003500400045005000

p i[b

ar]

s / r [-]

Rm=200N/mm2

Rm=400N/mm2

Rm=600N/mm2

Rm=300N/mm2

Rm=500N/mm2

Rm=700N/mm2

Tendenz: Werkstoffe werden höherfest. Unter gleichen Voraussetzungen ergeben sich höhere Innendrücke

Einschränkung des Verfahrens

Folie 33


Potential

Radiengestaltung durch Biegeumformung beim inkrementellen IHU

pi

Konventionelles IHU:

Radiusausformung durch Kalibrieren

Streckumformung

+ hohe VerfestigungDehnung ϕ2

Deh

nung

ϕ1

Grenzformänderung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Deh

nung

ϕ1

pa

Inkrementelles IHU:

Radiusausformung durch Biegung

Biegeumformung

+ geringere Dehnung

Folie 34


Zusammenfassung

Der Einsatz von IHU-Verfahren ist kosten- und taktzeitintensiv

IHU Verfahren sind limitiert durch die Bereitstellung des max. Druckes und der max. Schließkraft

IHU-Verfahren gewährleisten eine gleichmäßige Verfestigung über das gesamte Bauteil

Inkrementelle Verfahren zum IHU benötigen sehr niedrige Schließkräfte

Inkrementelle Verfahren können über Aussendruckanwendung sehr kleine Aussenradien bei niedrigen Drücken darstellen

Die Anlagen für Verfahren des inkrementellen IHU sind um den Faktor 100 niedriger im Invest und der installierten Leistung

Folie 35


Vielen Dankfür IhreAufmerksamkeit

Prof. Dr. – Ing.BerndEngel

Potentiale des Innnenhochdruckumformens

Folie 36


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