Suchen

Nachführsystem zum Innenhochdruck-Umformen

Innenhochdruck-Umformen langer Rohre ohne Knicken

| Autor/ Redakteur: Mathias Liewald und Martin Barthau / Stéphane Itasse

In einem Forschungsvorhaben am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart wurde die Innenhochdruck-Umformung von Rohren mit einem sehr großen Längen-Durchmesser-Verhältnis untersucht. Die Herausforderung lag darin, dass man diese Rohre wegen der Gefahr des Ausknickens und de mit der Länge zunehmenden Reibungskräfte axial nicht mehr nachschieben kann.

Firmen zum Thema

Bild 1: Diese langen, dünnen Rohre wurden während der IHU-Versuche mit unterschiedlichen Geometrien versehen.
Bild 1: Diese langen, dünnen Rohre wurden während der IHU-Versuche mit unterschiedlichen Geometrien versehen.
( Bild: IFU Stuttgart )

Die Problematik beim beidseitigen Nachschieben der Rohre von außen während eines Innenhochdruckumform-(IHU-)Prozesses besteht darin, dass mit zunehmendem Innendruck auch die Kontakt- beziehungsweise Anlagefläche des Werkstücks an der Werkzeugwandung proportional steigt, die axial eingeleiteten Nachschiebekräfte mit wachsendem Abstand vom Rohrende abgebaut werden und dadurch ein Nachschieben des Rohres in der Umformzone deutlich erschwert wird.

Um auch Rohre mit sehr großem Längen-Durchmesser-Verhältnis prozesssicher bei ausreichender Qualität mittels IHU in ihrem Mittenbereich umformen zu können, wurde am IFU ein optimierter Prozessablauf entwickelt.

Hülse nimmt das umzuformende Rohr größtenteils auf

Die Idee dieses modifizierten IHU-Prozesses ist die Integration einer axial beweglichen Hülsenkonstruktion in das Werkzeug, die das Rohr größtenteils aufnimmt. Diese Hülse wird werkzeugtechnisch derart ausgelegt, dass sie während des Prozesses getrennt angesteuert und nachgeschoben werden kann.

Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Werkzeug mit bewegbarer Führungszone entwickelt und aufgebaut. Bild 2 zeigt die untere Werkzeughälfte dieses Versuchswerkzeuges. Das Werkzeug wurde insbesondere für die Umformung langer, dünner Rohre konzipiert. Derartige Rohre neigen leicht zum Ausknicken, weshalb eine weitere Abstützung durch bewegliche Führungshülsen im Werkzeug erforderlich ist.

Nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften durch die Zuhaltevorrichtung verfahren zunächst die beiden Axialzylinder und verformen die Rohrenden mithilfe der Gegenkräfte der Verdrängungszylinder. Die dabei entstehenden Kegelflächen wirken als Dichtungsfläche. Nach dem Befüllen des Rohres mit Hydraulikmedium erfolgt der eigentliche Umformvorgang. Der Innendruck wird über Druckübersetzer aufgebracht, gleichzeitig bewegen sich die beiden Axialstempel zusammen mit der Hülse nach innen in Richtung der Umformzone. Das Rohr wird lokal in der Bauteilmitte ausgeformt, ohne dass ein Ausknicken im Nachschiebebereich auftreten kann.

Reibung zwischen Rohraußenwand und Werkzeugkavität nur in der Umformzone

Die Besonderheit der Konstruktion dieses Werkzeugs liegt darin, dass keine Reibung zwischen der Rohraußenwand und Werkzeugkavität entsteht, ausgenommen im Bereich der Umformzone. Stattdessen tritt eine Relativbewegung und dadurch Reibung zwischen der Werkstückhülse und den fest stehenden Werkzeugteilen auf. Diese Reibung kann durch stationäre Schmierung minimiert werden. Das Versuchswerkzeug ist modular aufgebaut. Durch verschiedene Werkzeugeinsätze können unterschiedliche Geometrien realisiert werden.

Zur Erprobung des Werkzeugkonzepts wurden zunächst Grundlagenversuche durchgeführt. Als Rohrwerkstoff wurden je eine Stahl-, Aluminium- und Edelstahlvariante eingesetzt. Dabei handelte es sich jeweils um nahtlos gezogene Rohre, um eine mögliche Verfälschung der Ergebnisse, verursacht durch die Schweißnaht, auszuschließen. Die Rohre haben einen Durchmesser von 30 mm und eine Wanddicke von 1 mm. Das Versuchswerkzeug erlaubt einen Nachschiebeweg von 20 mm von beiden Seiten, was einem Gesamtnachschiebeweg von 40 mm entspricht. Des Weiteren ist in der Mitte des Werkzeugs ein Formeinsatz eingebaut. Dieser ist wechselbar, somit konnten verschiedene Formeinsätze auf ihre mögliche Anwendung geprüft werden. Damit wurden sechs verschiedene Formen einer Untersuchung bezüglich ihrer Realisierbarkeit unterzogen.

Bei den Versuchen wurde ein Enddruck von 290 bar erreicht. Wichtig ist hierbei, dass der Druck an den Nachschiebeweg gekoppelt wird, da bei einem zu frühen Erreichen des Enddrucks ein Bersten des Rohres droht. Die Formeinsätze erlauben eine maximale Aufweitung des Rohraußendurchmessers auf 43 mm, was einem maximalen Umformgrad in Dickenrichtung von 43,3 % entspricht. Bei diesem Umformgrad konnte, je nach Werkstoff, eine Materialausdünnung von 13,8 bis 17,5 % gemessen werden.

* Prof. Mathias Liewald ist Leiter des Instituts für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart in 70174 Stuttgart

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 43271093)

Das könnte Sie auch interessieren SCHLIESSEN ÖFFNEN
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und die Salzgitter Hydroforming GmbH haben gemeinsam und erfolgreich an der Prozesskettenverkürzung und Energieeinsparung bei der Warmumformung von Edelstahl geforscht.
IWU/Salzgitter AG

Warmumformungsprozess verkürzt und Energie eingespart

Mit Innenhochdruckumformung lassen sich Geometrien erzielen, die mit anderen Umformverfahren nicht erreichbar sind.
IHU

Innenhochdruck-Umformung muss mehr als nur Hochdruck bieten

Auf der umgerüsteten IHU-Presse Dunkes HS3-1500 lassen sich Bleche und Hohlprofile unterschiedlicher Größen und Geometrien sowohl per Hydroforming als auch per Hot Metal Gas Forming umformen.
Umformtechnik

Innenhochdruck-Umformen wird flexibel

Bild: Fraunhofer IWU; Itasse; Fraunhofer-IWU; ; Bild: IFU Stuttgart; Trumpf; Schuler; Meusburger; picsfive - Fotolia; Bihler; Messe Essen; Eutect / Lebherz; Stefanie Michel; Mack Brooks; Schall; J.Schmalz; Inocon; Zeller + Gmelin; Okamoto Europe; Autoform/Rath; Lantek; Simufact; IKT; Schöller Werk; Vollmer; Wirtschaftsvereinigung Stahl; © earvine95, pixabay; Thyssenkrupp; Esta; IFA; CWS; totalpics; Design Tech; Automoteam; MPA Stuttgart