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Quelle: Schuler Potentiale des Innenhochdruckumformens
WKF – Kolloquium Siegen, 27.Juni 2005 Quelle: Schuler Einsatzpotential des Innenhochdruck-Umformens (IHU) Potentiale des Innenhochdruckumformens WKF Kolloquium: Einsatzpotential des IHU Verfahrensdarstellung Verfahrensgrenzen Anwendung F F F F Potentiale F F F F F F Folie 2 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung Umformen mit flüssigen Wirkmedien Tiefziehen mit flüssigen Wirkmedien InnenhochdruckUmformen InnenhochdruckUmformen von Hohlprofilen InnenhochdruckUmformen von Blechen Quelle: VDI Richtlinie 3146, Blatt 1 Folie 3 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung Quelle: Schuler Folie 4 Potentiale des Innenhochdruckumformens Copyright: Schuler Hydroforming GmbH & Das Verfahren - Darstellung Werkzeuggebundene Umformung Stempel Niederhalter Matrize Blech Kontur Seite durch Matrize Kontur Boden durch Stempel Folie 5 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung Freie Umformung Werkzeug vorgebogenes Rohr Folie 6 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung Zwischenformen bei der IHU-Umformung von Rohren freie Umformung Wkzgebundene Umformung Materialtransport Wkzgebundene Umformung Kalibirieren Folie 7 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung IHU von Blechen Zuschnitt Laserschweißen IHU-Ausformen nach außen Bildquelle: Krupp Drauz GmbH Bauteil Endenbeschnitt Entleeren nach innen IHU-Lochen Innenhochdruck-Umformen von verschweißten Blechen Mögliche Prozesskette Folie 8 Potentiale des Innenhochdruckumformens Das Verfahren - Darstellung Arbeitsdiagramm des IHU - Darstellung von Verfahrensgrenzen Folie 9 Potentiale des Innenhochdruckumformens Verfahrensgrenzen Versagensfälle Quelle: VDI-Richtlinie Nr. 3146, Blatt 1 Folie 10 Potentiale des Innenhochdruckumformens Verfahrensgrenzen Fertigteilfehler Übersicht Unvollständige Formausfüllung Risse an der Profilinnenseite Formabweichung des Querschnitts FertigFertigteilfehler teilfehler Abzeichnung der Werkzeugtrennfuge oder Trennlinie Riefen/Kratzer/ Quetschungen Folie 11 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anwendung - Automotive Dachrahmen gebaute Nockenwelle Abgaskrümmer Antriebswellen Sitzrahmen Überrollbügel Kühlrohre Kühlerrahmen Achselemente z.B.: • hinteres Achstragrohr Rahmenstrukturteile • A....D - Säule • Längsträger / Schweller • Türrahmen Querträger Sicherheitselemente z.B.: • crash-box Stoßfänger Integralträger • Türverstärkung Folie 12 Quelle: Daimler Chrysler ( Werk Hamburg) 12 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anwendung - Automotive VW-A-Plattform-Allrad-Hinterachse (Golf IV, Bora, Audi A3, Audi TT Quattro) + + Schließrohr Querlenker Hauptrohr • 3 Hydroform-Bauteile statt 7 Halbschalen-Bauteile • bis 60% höhere Festigkeit • 80 % Schweißnähte gespart Quelle: Schuler Folie 13 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anwendung - Automotive Typische konventionelle Bauweise Hydroform-Motorträger 8 Blech-Halbschalen 8 Schweißnähte 1 Hydroform-Bauteil, 1 Brücke 2 Schweißnähte Vergleich konventionelle Achse zu Hydroforming-Bauweise Quelle: Schuler Folie 14 Potentiale des Innenhochdruckumformens Potentiale Vorteile des IHU 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 Folie 15 Potentiale des Innenhochdruckumformens Potentiale Wechselbeziehungen in der Fertigungstechnik Umformen Fügen Crash Bauteil Material Maschine Logistik CAD Verfahren Kalkulation Berechnung Konstruktion Design Folie 16 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Anforderungen Automobilindustrie: ¾ Erfüllung der Sicherheitsanforderungen ( New Car Assessment Program ) ¾ Erheblich verringerter Kraftstoffverbrauch ¾ Verbesserte Umweltverträglichkeit ¾ Kostengünstige Großserien-Produktion → Trend zum LEICHTBAU Folie 17 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Leichtbau: Umformtechnik … ist nicht die Werkstoffsubstitution Verbindungstechnik Konstruktionstechnik Werkstoff- FertigungsFertigungstechnik technik technik … ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik Folie 18 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Werkstoffverteilung beim PKW Werkstoffverteilung beim PKW in Deutschland (Gewichts-%) 80 74 68 70 63 60 50 55 40 30 13 13 20 14 10 14 15 0 13 10 6 4 6 4 Aluminium 6 Kunststoffe Elastomere Sonstige 4 5 10 Stahl und Eisen 3 Baujahr 1975 Baujahr 1985 Baujahr 1995 Baujahr 2005 Sonstige NE-Metalle ¾ Trotz Zunahme von Kunststoff-, Aluminium- und Magnesiumkomponenten hat der Pkw Leichtbau die Entwicklung von höher- und hochfesten Stählen forciert Folie 19 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung LSS < 210 MPa HSS 210 - 550 MPa UHSS > 550 MPa IF-Stähle Weiche Tiefziehgüten Bruchdehnung [%] 70 Höherfeste IF-Stähle 60 BH-Stähle Isotrope Stähle 50 CMn Höherfeste mikrolegierte Stähle 40 DP-/MP-Stähle TRIP-Stähle Martensitische Stähle 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Untere Streckgrenze [MPa] Folie 20 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Umformverfahren (Prozesse) Tiefziehen komplexe Geometrie Bruchdehnung [%] 70 60 Tiefziehen HSD Stahle einfache Geometrie Walzprofilieren und Biegen 50 40 30 Warmumformung 20 HalbwarmIHU Hydromec umformung 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Untere Streckgrenze [MPa] Folie 21 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Crash Simulation auf der Basis unterschiedlicher Eingabedaten Umformsimualtion Materialwerte aus dem Zugversuch Materialwerte des umgeformten Teils → Mapping Annahme: Wandstärke und Festigkeit über gesamtes Bauteil gleich Unterschiedliche Wanddicken und Festigkeiten als Funktion des Werkstoffes und des Umformprozesses Folie 22 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Quelle: Gestamp Folie 23 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Mapping Daten für die Crash-Simulation Specific Deformation ohne Mapping mit Mapping Zunahme der Wanddicke Mapping Base Displacement Folie 24 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Mapping Daten unterschiedlicher Umformverfahren Hydroforming Stress [MPa] Tiefziehen True Strain ϕ [-] Folie 25 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential IHU von Blechen Folie 26 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anwendungsgrenzen Biegen Biegen begrenzteRadiusgestaltung Radiusgestaltung begrenzte Anwendungsgrenzen IHU IHU IHU Taktzeiten Taktzeiten Close press 1,7 Slow down press 0,6 0,0 Pressure build-up main pump 3,0 Quickfilling 3,6 Axial cylinders advance IHUKalibrieren Kalibrieren IHU Begrenzte Begrenzte Radiengestaltung Radiengestaltung IHUNachschieben Nachschieben IHU Begrenzte Begrenzte Aufweitlänge Aufweitlänge Component: Press: Cycle Time: Start-up: 0,5 Close tool Introduce ram lock (only SHP-U) 2,3 Hydroform 4,0 Calibrate Fügen Fügen Alternative Alternative Fügeverfahren Fügeverfahren Engine Cradle SHP 50.000 29,8 Seconds 1997 0,9 Hole piercing 1,0 Relieve internal pressure 0,8 1,5 Pressure relieve press Retract seal punches 1,2 Retract ram lock (only SHP-U) 0,0 Open press 3,4 Pressure intensifier home position 3,3 Handling 9,0 Reserve IHU IHU Begrenzte Begrenzte Umfangsgestaltung Umfangsgestaltung 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Cycletime [s] Folie 27 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Kalibrierdruck für begrenzte Bereiche wirkt über gesamte Bauteilfläche: → hohe Schließkraft Erforderlicher Druck: 400 bar Erforderlicher Druck: 150 bar Große komplexe Bauteile erhöhen Schließkraft und Taktzeit Folie 28 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Inkrementelles IHU. Lokal hohe Drücke Arbeiten im Freistrahl → niedrige Schließkräfte. Nahezu konstant für unterschiedliche Bauteile (Skalierbare Anlage) Freistrahl Lanze Blech Folie 29 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Inkrementelles IHU - Verfahrensvarianten Variante Druckrichtung Werkzeug innen ohne innen partiell innen komplett Folie 30 Potentiale des Innenhochdruckumformens Anforderung und Potential Inkrementelles IHU - Verfahrensvarianten Variante Druckrichtung Werkzeug außen ohne außen partiell außen komplett Folie 31 Potentiale des Innenhochdruckumformens Einschränkung des Verfahrens Begrenzte Bauteilradien pi [bar] Erforderlicher Innendruck zur Radienausbildung 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Rm=200N/mm2 Rm=400N/mm2 Rm=600N/mm2 Rm=300N/mm2 Rm=500N/mm2 Rm=700N/mm2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 s / r [-] Tendenz: Werkstoffe werden höherfest. Unter gleichen Voraussetzungen ergeben sich höhere Innendrücke Folie 32 Potentiale des Innenhochdruckumformens Potential Radiengestaltung durch Biegeumformung beim inkrementellen IHU pa pi Grenzformänderung 0,7 Radiusausformung durch Kalibrieren 0,5 Dehnung ϕ1 Konventionelles IHU: Dehnung ϕ1 0,6 0,4 Inkrementelles IHU: Radiusausformung durch Biegung 0,3 0,2 Streckumformung + hohe Verfestigung Biegeumformung 0,1 0 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 + geringere Dehnung Dehnung ϕ2 Folie 33 Potentiale des Innenhochdruckumformens 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 34 Potentiale des Innenhochdruckumformens Potentiale des Innnenhochdruckumformens Vielen Dank für Ihre Aufmerk samkeit Prof. Dr. – Ing. Bernd Engel Folie 35 Potentiale des Innenhochdruckumformens Folie 36 Potentiale des Innenhochdruckumformens
