用于空心型材的成型的方法.pdf

一种用于空心轴的成型的方法，其中，空心轴(1)在加工方向(2)上被引导穿过阴模(3)，并由心轴(4)所定位，以使得空心轴(1)在阴模(3)处具有在所述加工方向(2)上的材料流动速度(6)，在该方法中，心轴(4)具有在加工方向(2)上的拉拨速度(7)，该拉拨速度(7)大于材料流动速度(6)。

1.  一种用于空心型材的成型的方法，其中，所述空心型材(1)在加工方向(2)上被引导穿过阴模(3)，并由心轴(4)定位，以使得所述空心型材(1)在所述阴模(3)处具有在所述加工方向(2)上的材料流动速度(6)，在所述方法中，所述心轴(4)具有在所述加工方向(2)上的拉拨速度(7)，所述拉拨速度(7)大于所述材料流动速度(6)。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空心型材(1)具有最大为6毫米的壁厚(8)。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述空心型材(1)被引导穿过所述阴模(3)时，引起所述空心型材(1)的直径(9)的变化。

4.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述空心型材(1)被引导穿过所述阴模(3)时，在所述空心型材(1)的至少一个部分区域(11)中制造出结构(10)。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以带有预硬化的材料的方式来提供所述空心型材(1)。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以带有焊缝(12)的方式来提供所述空心型材(1)。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述成型期间，环境温度不超过200℃。

8.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述空心型材(1)的加工期间，至少改变在加工方向(2)上的拉拨速度(7)或材料流动速度(6)。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述成型以干的形式进行。

10.  一种包括至少两个空心型材的机动车部件(13)，其中，至少一个空心型材(1)利用根据权利要求1至9中任一项所述的方法而制成，在该部件中，所述两个空心型材至少在一部分(14)中同心地布置。

11.  根据权利要求10所述的机动车部件(13)，其特征在于，所述空心型材(1)在所述部分(14)中形成啮合的结构(10)。

12.  根据权利要求10所述的机动车部件(13)，其特征在于，所述空心型材(1)分别具有在1.5毫米至4毫米的范围中的壁厚(8)。

13.  一种机动车(15)，其具有至少一个根据权利要求10至12中任一项所述的机动车部件(13)，以用于传递扭矩。

用于空心型材的成型的方法
本发明涉及一种用于空心型材的成型(Umformen)的方法，尤其用于汽车制造中的空心轴的成型。在此，空心型材在加工方向上被引导穿过阴模(Matrize)，并以心轴进行定位(fixiert)。
多种不同的方法已经在汽车制造中用于空心型材的成型。在此，空心型材通常成形为管状，并在随后的成型中被配备上结构(Struktur)或在其直径方面被加以改变。这些空心型材尤其作为机动车中的空心轴而被加以应用。
这种空心型材的成型——尤其是当这些空心型材在使用中将被暴露于特殊的静态力和动态力以及高扭矩载荷下时——常常需要满足特定的安全准则。从而，一方面必须避免在成型时在材料中形成裂纹。因此，在这种变形过程期间的变形程度受到限制。另一方面，还存在这样的趋势，即，将这种机动车部件实施成尤其地轻的，从而在此形成了对薄壁空心型材的需求。然而，尤其是在使用这样的空心型材的成型的方法，即，所谓的正向挤压(Vorwaertsfliesspressen)时，对薄壁空心型材而言，在为引导空心型材以较大变形程度穿过相应的阴模时而所需的力传递方面存在问题。另外，根据具体的材料选择，在成型期间，部分地需要进行高成本的润滑过程，以及/或者在成型步骤之前或在多个分成型步骤之间进行空心型材的特殊的(热学的和/或表面特定的)预准备。
由此出发，本发明的任务在于，至少部分地解决根据现有技术而描述的那些问题。尤其地，本发明意图给出一种用于空心型材的成型的方法，其在允许使用空心型材的多种材料的情况下，尤其在不需要空心型材的高成本的预准备的情况下，使得有所提高的变形程度即使在薄壁型材的情况下也可被达到。方法还旨在达到尤其高的加工精度，从而可例如保持有关空心型材尺寸的更好的形状公差和/或位置公差。最后，还意图给出以这种方式制造的空心型材的特别有利的应用的可能性。
这些任务通过基于权利要求1的特征的方法来解决。方法的其它有利的设计方案在从属权利要求中给出。应当指出，在权利要求中单独列出的特征可按任何所需的、技术上合理的方式彼此组合，并展现出本发明的其它设计方案。另外，特征将在说明书中进一步地解释或说明，使得在此也展现本发明的有利的改进方案。
在根据本发明的用于空心型材的成型的方法中，以加工方向引导空心型材穿过阴模，并以心轴进行定位，以使得空心型材在阴模处具有在该加工方向上的材料流动速度，而心轴具有在该加工方向上的拉拨速度，该拉拨速度大于该材料流动速度。
因此，该方法尤其涉及正向挤压，在该过程中，由冲头产生于空心型材上以迫使所述型材穿过阴模的压力借助于移动的、尤其在径向内侧对空心型材进行定位的心轴而得到促进。“正向挤压”尤其是指以这样的方式将空心型材按压穿过阴模，其中，材料流动的方向与加工方向基本上一致。在此，空心型材在阴模中经历塑性的变形。在此，阴模尤其理解为造型原料开口(formgebende Werkstoffoeffnung)。在采用空心正向挤压形式的方法的优选设计方案中，空心型材在加工区域中具有大致管状的结构，而作为造型工具开口(formgebendeWerkzeugoeffnung)，在阴模与冲头之间形成有间隙。
迄今为止，可被引入至空心型材上的成型力都借助于冲头经由(例如)空心型材的端面而施加，然而，现在则建议，附加地借助于移动的心轴来促进该力的导入。通过借助于冲头施加力，空心型材的材料在阴模的区域中以可确定的材料流动速度而流动，其中，迄今为止，还必须克服(固定的)心轴与空心型材的流动的材料之间的、(与加工方向相反地作用的)相当大的摩擦力。现在提出，使心轴在加工方向上移动，该移动以大于材料流动速度的拉拨速度来进行。由此，通过摩擦同样将力引入至待加工的空心型材。因而，在加工方向上可获得用于促进成型的力的第二个力引入点。
该方法的巨大的优点在于，尤其是在薄壁空心型材的情况下，成型力通常由于空心型材的压曲载荷而受到限制，以使得通常只能达到较小的变形程度。在基于本文所提出的方法的成型中通过叠加的压应力可显著降低裂纹生成的危险性。
根据本方法的一种改进方案，空心型材具有最大为6mm的壁厚。尤其是在汽车领域方面，该方法特别适用于带有大约1.5mm至4mm壁厚的空心型材。原则上，此处可使用多种不同的材料，优选为钢材和铝材。
另外还建议，在空心型材被引导穿过阴模时，引起其直径的改变。在这一点上，优选的是使直径减小。
作为对此的备选，以及/或者与此相组合，被视为有利的是，在引导空心型材穿过阴模时，在空心型材的至少一个分区域(Teilbereich)中制造出结构。“结构”的形成尤其伴随着空心型材的横截面形状的改变而发生。因此，可于空心型材的周向(在部分区域中或沿着整个周向)例如形成突起部和/或凹陷部，其中，这一点优选地伴随着同时的直径变化而发生。
已经发现，由于该伴随移动的心轴而使得，在直径减小的空心型材和/或具有一定结构的空心轴构型的形状精度或圆度方面，可遵循尤其高的公差要求。
普遍的观点认为正向挤压需要经特殊预处理的空心型材，以保证批量生产中的较高的变形程度，与此相反地，在本文中还建议，在带有预硬化材料(vorverfestigten Material)的空心型材的情况下执行根据本发明的方法。在此所指的尤其是，空心型材已事先经过冷变形，其中，无需通过热后处理重新消除该冷作硬化。即使是这种冷变形的空心型材也可使用本文所提出的方法而以形状精确的方式被(进一步地)成型。
另外，空心型材还可以带有焊缝的方式而被提供。这一点例如涉及以下情况，即，管状的空心型材(作为用于本文所提出的方法的半成品)由金属板弯曲并随后焊接在一起而制成。即使是这种例如在加工方向上具有焊缝的空心型材也可使用本文所提出的方法来成型，其中，可保证高的形状公差。
基于方法的一种改进方案，在成型期间，环境温度不超过300℃。尤其地，环境温度不超过200℃。环境温度尤其是指工具或工件的温度。尤其应当指出的是，该方法并未伴随有时间上在先的和/或同时的热处理。这可以显著地降低这种空心型材的制造成本，其中，更短的生产节拍同时成为可能。
在特定的应用中还可能有利的是，在空心型材的加工期间至少改变在加工方向上的拉拨速度或材料流动速度。在此，原则上也可进行材料流动速度与拉拨速度的同时的和/或在时间上错开的改变。由此可例如对材料的非均匀性或其它局部地影响成型的参数加以考虑。
按照本方法的一种改进方案，成型以干的形式(trock)进行。“干的”成型尤其存在于这样的情况中，即，润滑剂的同步的供应被省去。因此，在成型过程期间，没有可影响阴模与管状型材之间或空心型材与心轴之间的摩擦的润滑剂被添加到成型区域中。就更低的制造成本及保护环境方面而言，这种方法是尤其有利的。
然而，如有需要时，也可以进行预备的润滑。为此，空心型材可例如在成型之前被浸入润滑剂中或被喷洒润滑剂，以使得于空心型材的表面上形成润滑膜。以此方式预处理的空心型材随后以“干”的形式进行成型。
另外，在这一点上还提出了包括至少两个空心型材的机动车部件，其中，至少一个空心型材以在此根据本发明所描述的方法而制成，在该部件中，两个空心型材至少在一部分中(in einem Abschnitt)同心地(konzentrisch)布置。
尤其是在汽车制造中的空心轴或扭矩传送器的制造中，利用这种双重空心型材可产生一种理论断裂点，以使得，举例而言，在非常高的、作用在空心轴的方向上的力的情况下，机动车中的垂直偏转(Aufbaeumen)被避免，而是，在这种情况下空心型材中的一个滑入另一个中，或者，中断扭矩传递。然而，因为两个空心型材在正常使用中必须传递相当大的扭矩，所以需要具有非常高的形状精度或在该至少一部分中两个空心型材之间的非常紧密的接触。
同样基于此原因而建议，空心型材在该部分中形成啮合的(ineinandergreifende)结构。此处尤其是指在周向上延伸的结构，该结构有规律地形成，并且由包括突起部和凹陷部的重复构型所构成。在这种情况下，优选的是两个空心型材均通过根据本发明的方法制成，因为这由此达到尤其高的形状精度，以使得彼此同心地布置的突起部或凹陷部的侧面彼此形成非常大的接触面，且相应地可传递相当大的扭矩。
在此优选的是这样的机动车部件，在该机动车部件中，空心型材分别具有在从1.5mm至4mm范围中的壁厚。
最后，还提出了一种机动车，其具有至少一种上述类型的用于扭矩传递的机动车部件，因为以此可以经济的方式制造出用于机动车制造的尤其地尺寸精确且高性能的部件。
为了解释根据本发明的方法，以下显示了加工实例，在该实例中通过实例显示了带有受控的心轴用于制造滑入管(slip in tube)的正向挤压的工艺参数：
半成品：
材料：E355(ST 52-3)
尺寸：直径63.5mm，壁厚1.8mm
工艺：
冲头力：200kN
材料流动速度：40毫米/秒
心轴表面：粗糙度Ra 0.3mm，材料号1.2379
心轴速度：50毫米/秒
阴模表面：粗糙度Ra 0.03mm，材料G20
阴模尺寸：角度20°，锥段3mm
心轴/阴模间隙：1.7mm
润滑：在成型之前
产品：
尺寸：直径60mm，壁厚1.8mm
变形程度：由于齿的几何结构局部相差非常大
以下参照附图对本发明及技术领域进行更详细的描述。应当指出，附图显示了本发明的尤其优选的实施变型，但是本发明并不受限于此。在图中：
图1示意性地显示了根据本发明的方法的一种设计方案中的第一加工状态，
图2示意性地显示了根据本发明的方法的一种设计方案中的第二加工状态，
图3示意性地显示了带有同心的空心型材的机动车部件的实施变型，
图4示意性地显示了这种空心型材在机动车中的优选的应用领域，而
图5示意性地显示了有关根据本发明的方法的另一种实施变型的流程图。
图1旨在示意性地显示出可在根据本发明的、管状空心型材1的成型期间发生的状态。所显示的工具组件包括阴模3、冲头5、心轴4和推料器16。此处相对于空心型材1而定位于外侧的阴模3设计成固定的，空心型材1借助于放置在端面的冲头5而被按压穿过阴模3的内开口(示出于半截面)。现在，在阴模3中发生具有给定壁厚8的空心型材1的成型，以使得直径9减小。
为获得受控的成型，心轴4布置在阴模3之内，即，同心于阴模的开口，以使得阴模3与心轴4形成间隙，空心型材1被按压穿过该间隙。由此在加工期间建立在加工方向2上的材料流动速度6，该材料流动速度6主要地首先由冲头5对空心型材1的作用而引起。根据本发明，现在，心轴4在加工方向2上以拉拨速度7伴随地移动，该拉拨速度7大于材料流动速度6。这一点通过此处示出的箭头来显示。因为存在有所提高的拉拨速度7，所以经由滑动摩擦同样在加工部位或在阴模3与心轴4之间的间隙中引入了作用力，以使得通过冲头5而引入的成型力可被降低，或者，形成整体上有所提高的总成型力。在此，总成型力(UK_总)从冲头的成型力(UK)及阴模和心轴处的摩擦力(RK)中得出(UK_总＝UK_冲头+RK_阴模-RK_心轴)。在此，心轴的摩擦力可能依赖于空心型材表面上所用的润滑剂。
若成型完成，而其中例如只有空心型材的部分区域被成型，则空心型材1可最终借助于推料器16按与加工方向2相反的方向重新从工具组件上被移开。
最后提到的方法步骤(在该步骤中推料器16重新松开空心型材1)可从图2中看到。在此处所显示的方法状态中，阴模3和心轴4不再处于接合状态，而是，推料器16将空心型材1移开。在之前实现的加工中进行部分区域11的成型，在该成型中产生了结构10。在此，该一个部分区域11靠近管状空心型材1的(前端)端部而形成。与之连接的是呈锥体19形式的加宽部分，该锥体19构成了朝向原空心型材1的过渡区域。
图3显示了穿过机动车部件13的横截面，该机动车部件13包括两个同心的空心型材1。可以看出，两个空心型材1均设有结构10，该结构10包括多个突起部17和凹陷部18。两个空心型材1均可以根据本发明所述的方法来制造，尽管它们(举例而言)具有不同的材料并且/或者以纵向定向的焊缝12实施而成。原则上，可使用相同类型的管状空心型材来进行生产，如有需要时，该管状空心型材在成型加工之前甚至连其直径9方面也彼此没有区别。在此处显示的部分14中，两个空心型材相对于彼此以这种方式同心地布置，即，使得它们尤其良好地适合于传递高扭矩，这主要是通过结构10的尤其良好的形状公差或良好的配合精度而实现的。
图4仅示例性地显示这种空心型材1作为机动车部件13在机动车15中的应用。除此之外，这种空心型材除了可用作万向接头轴(Kardanwelle)之外，还可作为轴而用在其它应用场合中，例如用于试验台、滚压机等等中。
图5意图以流程图的方式示意性地显示根据本发明的方法的另一个例子。
此处步骤(A)尤其包括提供空心轴。在该状态下，空心轴可具有冷作硬化的区域和/或甚至是焊缝。优选的是具有在1.5mm至4mm范围中的壁厚的管状空心轴。
在步骤(B)中，空心轴例如相对于阴模、冲头和心轴而定心或定位。此处心轴有利地处在与空心轴的接合中，以使得可在随后的加工期间在同时的拉拨作用下通过冲头实现空心轴的精确的进给。
步骤(C)尤其包括空心轴通过冲头力而穿过阴模的运动。
那么，在步骤(D)中，心轴同时地或在时间上错开地在加工方向上以拉拨速度移动，该拉拨速度大于阴模的区域中空心轴的材料流动速度。在此，为了提高变形程度，还可以使用润滑剂，其润湿空心轴与阴模或者与冲头的接触区域。
此处仅以虚线显示的方法的步骤(E)包括(如需要时)将已完成加工的空心轴从工具组件中推出。
参考标号列表
1.空心型材
2.加工方向
3.阴模
4.心轴
5.冲头
6.材料流动速度
7.拉拨速度
8.壁厚
9.直径
10.结构
11.部分区域
12.焊缝
13.机动车部件
14.部分
15.机动车
16.推料器
17.突起部
18.凹陷部
19.锥体