Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen …€¦ · Quelle: Schuler - Hydroforming. 33 22.09.2003 VT-IHU_BE Innenhochdruck-Umformen – ein Überblick Innenhochdruck - Umformen Entwicklung

122.09.2003

VT-IHU_BE

Innenhochdruck-Umformen – ein Überblick

Innenhochdruck - Umformen

Grundlagen des Innenhochdruckumformens

Lehrstuhl fürFertigungstechnik u.Werkzeugmaschinen

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

http://www.mb.uni-siegen.de/fw

14. Oktober 2003Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

Universität Siegen, FB 11Paul-Bonatz-Straße 9-11D-57076 Siegen

222.09.2003

VT-IHU_BE



Das Verfahren - Darstellung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Presse schließen1 Füllen mit Wasser2

• Axialzylinder anfahren• Wasserdruck regeln• Gegenhalter führen

3 • Presse öffnen• Teil ausstoßen

4

322.09.2003

VT-IHU_BE



Das Verfahren - Darstellung

Copyright: Schuler Hydroforming GmbH & Co

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

422.09.2003

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Das Verfahren - Lochungen


Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Lochen nachau enAusklinken

Lochen nachinnen

pi

pi

522.09.2003

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Das Verfahren - Einordnung


Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Umformen mit flüssigenWirkmedien

Innenhochdruck-Umformen von

Hohlprofilen


Blechen

Innenhochdruck-Umformen

Tiefziehen mit flüs-sigen Wirkmedien

Quelle: VDI Richtlinie 3146, Blatt 1

622.09.2003

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Das Verfahren - Einordnung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

F


Hohlprofilen

Biege-Umformung(DIN 8586)

Schub-Umformung(DIN 8587)

Zug-Umformung(DIN 8585)

Zug-Druck-Umformung(DIN 8584)

Innenhochdruck -Aufweitstauchen

im geschlossenenGesenk

Innenhochdruck -Aufweitstauchen

im offenenGesenk

Innenhochdruck -Aufweiten

Innenhochdruck -Kalibrieren

Innenhochdruck -Biegen

Innenhochdruck -Durchsetzen

p p

p

pp

p

F

F

F

F

FF

F


722.09.2003

VT-IHU_BE



Blechumformung (werkzeuggebunden)

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


822.09.2003

VT-IHU_BE



IH - Umformung (freie Aufweitung)

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

922.09.2003

VT-IHU_BE



Verfahrensablauf – Prozeßabschnitte

Freie Umformung werkzeuggebundeneUmformung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Inne

ndru

ck

Axialweg

WKZgebundenMaterialtransport

WKZgebundenKalibrieren

1022.09.2003

VT-IHU_BE



Verfahrensablauf – Prozeßabschnitte

Zwischenformen bei der IHU-UmformungGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

freie Umformung Wkzgebundene UmformungKalibrieren

Wkzgebundene UmformungMaterialtransport

1122.09.2003

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Anwendung - Automobil

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)

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

1222.09.2003

VT-IHU_BE



Abgasbereich

Einsatz von IHU Bauteilen zur Reduktionvon Gewicht und Herstellkosten.Erhöhung der Dauerfestigkeit AbgaskrümmerGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Quelle: Schuler - Hydroforming

1322.09.2003

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Achsbereich

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

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

+ +

SchließrohrQuerlenker

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

1422.09.2003

VT-IHU_BE



Strukturbereich

Dachfestigkeit um 70% gesteigertAnzahl der Bauteile um 44 % reduziert

Hydrogeformte A-Säule oben/untenund Windlauf 3er BMW Cabrio

Dachrahmen

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

WerkzeugeA-Säule


1522.09.2003

VT-IHU_BE



A-Säule und Windlauf

A-Säule und Windlauf des 3er BMW CabrioGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


1622.09.2003

VT-IHU_BE



Fertigungsfolge A-Säule unten

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Dornbiegen gerades Ausgangsrohr

IHU reduz. und geb. Rohr

Laserbeschnitt

Reduzieren gebogenesRohr

1722.09.2003

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Strukturbereich

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Quelle: VDI Nachrichten 12.September 2003, Nr. 37

1822.09.2003

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Arbeitsdiagramm

Axi

alkr

aft F

a

Innendruck pi

Prozeßfenster

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

1922.09.2003

VT-IHU_BE



Versagensfälle

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Quelle: VDI-Richtlinie Nr. 3146, Blatt 1

2022.09.2003

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Versagensfall - Falten

Mögliche Abhilfe / Analyse /Kommentar

• Axialkraft senken bzw.Innendruck erhöhen

• Kürzere Führungszone

Mögliche Ursache

• zu hohe Axial-kraft bei niedrigen Innendrücken

FALTENGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


2122.09.2003

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Versagensfall - Knicken

KNICKENGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Mögliche Ursache

• Zu hohe Axialkraft

• zu lange Aufweitzone


• Verkürzung der freien Aufweitlänge

• Erhöhung der Knick-stabilität des Rohteils allgemein

• Reduzierung der Axial-kraft insbesondere zuProzeßbeginn


2222.09.2003

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Versagensfall - Bersten


• Änderung der Fertigteil-geometrie

• Rohteilgeometrie derFertigteilgeometrie weiterannähern

• Werkstoffänderung• Einbringen von axialen

Druckspannungen• Axial mehr Material zuführen• Reibwerte in der Führungs-

zone senken

BERSTENMögliche Ursache

• Zu hoheUmfangs-dehnung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


2322.09.2003

VT-IHU_BE



Fertigteilfehler

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Unvollständige Formausfüllung

Formabweichungdes Querschnitts

Riefen/Kratzer/Quetschungen

Fertig-teilfehlerFertig-

teilfehler

Risse an derProfilinnenseite

Abzeichnung derWerkzeugtrennfuge

oder Trennlinie


2422.09.2003

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Fertigteilfehler – Mögliche Abhilfemaßnahmen

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Fertigteil (F)

Rohteil (R)

Proz

eßfü

hrun

g (P

)

Trib

o-Sy

stem

(T)

Werkzeug (W)M

aschine (M)


2522.09.2003

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Fertigteilfehler – unvollständige Ausformung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Wassereinschluß


2622.09.2003

VT-IHU_BE



Fertigteilfehler – Abzeichnung Wkzkante

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Trennkantenversatz


2722.09.2003

VT-IHU_BE



Fertigteilfehler – Anschneider

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Anschneider


2822.09.2003

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Verfahrensbegrenzung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Biegenbegrenzte

Radiusgestaltung

Biegenbegrenzte

Radiusgestaltung

Beschränkung desIHU

IHU KalibrierenRadiengestaltung

IHU KalibrierenRadiengestaltung IHU

NachschiebenBegrenzte

Aufweitlänge

IHU Nachschieben

BegrenzteAufweitlänge

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

2922.09.2003

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Verfahrensbegrenzung - Biegen

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

R

Tendenz: Rohre für den Strukturbau tendieren über einDurchmesser - Wanddicken Verhältnis von 90

3022.09.2003

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Verfahrensbegrenzung - Bauteilradien

Erforderlicher Innendruck zur Radienausbildung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

0500

100015002000250030003500400045005000

p i[b

ar]

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

3122.09.2003

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Verfahrensbegrenzung - Aufweiten

Erreichbare Umformung beim IHU

1. Beschränkte Auswirkung des axialen Schiebens

d⋅≈ 5...3 d⋅≈ 5...32. Beschränkte Auswirkung

durch „Engstellen“ im Nach-schiebebereich

kalibriergl k⋅≈ ε

3. Eingeschränkte Umformungin Biegebereich

schiebgl k⋅≈εAu

fweit

ung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

3222.09.2003

VT-IHU_BE



Verfahrensbegrenzung - Zykluszeit

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

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


Open press





Hole piercing

Calibrate

Hydroform


Quickfilling



Close tool

Slow down press

Close press

Cycletime [s]


Prozess / Process

AutomationPresse Presse


3322.09.2003

VT-IHU_BE



Entwicklung der Zykluszeit

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

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

Open press



Pressure relieve pressRelieve internal pressure

Hole piercing

Calibrate

HydroformAxial cylinders advance

Quickfilling



Close toolSlow down press

Close press

Cycletime [s]


8,0

1,0

0,1

1,0

1,0

0,81,0

1,2

1,0

0,9

3,2

2,32,4

0,5

1,1

2,4

0,0

1,4

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

Reserve

Handling


Open press





Hole piercing

Calibrate

Hydroform


Quickfilling



Close tool

Slow down press

Close press

Cycletime [s]

Component: Engine CradlePress: SHP-U 50.000 Short-StrokeCycletime: 23,4 SecondsStart-up: 2001

Vorderradträger1997: 29,8 sec.2001: 23,4 sec.


3422.09.2003

VT-IHU_BE




-400

-200

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10 12

Hub

Zykluszeit

2,4 sGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


3522.09.2003

VT-IHU_BE




Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

„Quick-Filling“-Systeme


3622.09.2003

VT-IHU_BE



Prozeßplanung

Prozeßauslegung beim IHU

Material- auswahl - Werkstoff - Wanddicke

Werkzeugkonzept - ohne/mit Innendruck - Schiebereinsatz

Stufenfolge - Biegen - Vorformen - Glühen

IHU - Prozeß - Auslegung - Prototyping

Bauteil- definition - Funktion - Oberfläche - Geometrie - Belastung (Festigkeit)

Machbarkeit

- Geometrieanalyse - Biegelinie - Dehnung - Trennkontur

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

3722.09.2003

VT-IHU_BE



Definition der Anforderung

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

3822.09.2003

VT-IHU_BE



Schnittanalyse

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Geometrieanalyse - Dehnungsverteilung

Globale Dehnungsverteilung

02468

10121416

0 5 10 15 20Schnitt

Globale Dehnungsanalyse alsintegraler Wert über Umfang

Trennkonturverlauf

Vorformbestimmung

PlausibilitätsprüfungBiegelinie, Dehnungsverteilung

Variation Ausgangsquerschnitt(z.B. min. Werkzeugöffnungsmaß)

3922.09.2003

VT-IHU_BE



Nebendehnung ϕ2

Hau

ptde

hnun

g ϕ 1

σ1

σ1

σ2 σ2

Nachschieben

Kalibrieren

σ1

σ1

σ2 σ2

σ1

σ1

0

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4

Grenzformänderungsdiagramm

+

Verfahrenseinordnung im Grenzformänd.diagramm

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

4022.09.2003

VT-IHU_BE



Dehnungswolke beim IHU

Versagen durchBersten

Geeignete Prozeßaus-legung mit Abstand zum

Bersten reines Abstrecken

Typischer Dehnungspfad beim IHU mit Materialnachführung

Versagen durch Bersten beim IHU

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

4122.09.2003

VT-IHU_BE



Basisformeln

pi

Rn t

kf

σt

KesselformelGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

1²²

1²²

1²²

1²²

−

+=

−

+=

B

A

A

i

a

a

it

DDDD

rrrr

pσ• Einfaches Mittel für überschlägige

Berechnungen: Kesselformel• im Apparatebau zur Berechnung der

tangentialen Spannungen in derBehälterwand


4222.09.2003

VT-IHU_BE



Basisformeln

Mathematischer Ansatz für KesselformelGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge)ln(

B

Afi

DDkp ⋅= als exakte Lösung

Reihenentwicklung mitAbbruch nach 2. Glied

)(, ϕftkf =

nfi

Rtkp ⋅=

21

21min

RRRRR

+⋅

=Rn

:t Quelle: Schuler - HydroformingWanddicke

4322.09.2003

VT-IHU_BE



Basisformeln

Berechnung von EckdatenGrundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Fließdruck

0

02,00

npi

RtRp ⋅=

Maximaldruck

minmax

Rtkp fi ⋅=

4422.09.2003

VT-IHU_BE



Gegebenes Bauteil

D1

D0

mmDmmD

2746

0

1

==

53,0 7,0

1

1 )1ln(

== +=

ϕε εϕmit

rmin

8min, mmr längs =

t0

mmt 20 =

222,0 700 400 mmNRmm

NR mp ==

barpi 2750max, =

barpi 3480, =

barp Rmi 608, =

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

4522.09.2003

VT-IHU_BE



Eckpunkte für Belastungsvorgabe

D1

D0

rmin

ld1 lz ld2

A1

A0

0

101

,

0,

01

2100

211

)(2 :links Schiebweg

:ebewegGesamtschi

:flächeNachschieb][

d

lldAAl

dAl

AAAllldA

AAAA

zdlz

d

nr

nng

n

dzd

dlzd

⋅

+⋅⋅−+=

⋅=

−=++⋅⋅=

++=

π

π

π

π

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

4622.09.2003

VT-IHU_BE




Axialweg

Inne

ndru

ck

kip , min pl ,,

kip ,

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

4722.09.2003

VT-IHU_BE




Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

kip , min pl ,,

kip ,

m

eHfi r

tRp ⋅⋅=

25,1,Fließdruck Rohr:

m

mfi r

tRp ⋅⋅=

25,1,

m

vnn r

OOl⋅−

=π2

Enddruck Schieben:

Nachschiebeweg:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+

−⋅⋅+⋅=

trtrtARp

aaGmki

min,2,min,1,,

11)1(Kalibrierdruck „Kofferecke“:

4822.09.2003

VT-IHU_BE



Einordnung von IHU-Werkzeugen

Umform-WerkzeugeUmform-Werkzeuge

Prototypenwerkzeuge

Serienwerkzeuge

Vorformwerkzeuge IHU-Werkzeuge

Prototypenwerkzeuge

Serienwerkzeuge

Vorformwerkzeuge

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


4922.09.2003

VT-IHU_BE



Prototypwerkzeuge IHU

WerkzeugartenIHU-Werkzeug zur Herstellung von Prototypen

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


5022.09.2003

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Vorformwerkzeuge Serie

WerkzeugartenVorformwerkzeug für die Serienfertigung

Vorderradträger Metalbages (43100)Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge

Werkzeug-Oberteil

Werkzeug-UnterteilQuelle: Schuler - Hydroforming

5122.09.2003

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IHU-Werkzeuge Serie

Grundlagen

Anwendungen

Grenzen

Prozeßplanung

Werkzeuge


5222.09.2003

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Lehrstuhl fürFertigungstechnik u.Werkzeugmaschinen

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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