Hydromechanisches Tiefziehen

Beim hydromechanischen Tiefziehen, dem aktiven hydromechanischen Ziehen und der Innenhochdruckumformung (IHU) handelt es sich um Verfahren, die im zunehmenden Maße in der Automobilproduktion Einzug halten, da sich dort Vorteile der Gewichtseinsparung und der günstigen Produktionskosten bei hohen Ausbringungsmengen besonders deutlich zeigen. Der Schwerpunkt der folgenden Ausführungen liegt dabei weniger auf konkreten Anlagen oder Maschinen (die in der Regel nur für einen spezifischen Anwendungsfall konzipiert werden), sondern auf der prinzipiellen Darstellung der Verfahren.

Hydromechanisches Tiefziehen

Nach DIN 8584 ist „Tiefziehen mit Wirkmedien das Hineinziehen eines Zuschnittes oder eines Hohlkörpers in eine starre Matrize oder das Anlegen derartiger Werkstücke an einen starren Stempel durch Wirkung eines Mediums (Wirkmedium)“. Das Medium kann direkt auf das Werkstück einwirken oder aber auch von diesem durch eine Dichtung (Membran, Beutel) getrennt sein. Lt. DIN 8584 kann es sich dabei um einen formlosen, festen Stoff (z. B. Sand, Stahlkugeln), eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln.

Verfahrensprinzip:

In der Grundstellung ist die Presse geöffnet und der Wasserkasten mit einer Wasser-Öl-Emulsion gefüllt. Nach dem Einlegen der Platine schließt sich die Presse, und der Blechhalter spannt die Platine ein. Der pressenseitig eingestellte Blechhalterdruck dichtet den Druckraum ab, und der eigentliche Umformprozess wird eingeleitet.

Durch das Eindringen des Ziehstempels in den Wasserkasten baut sich der Mediumdruck auf. Während des Umformvorgangs wird das Blech an die Ziehstempel angepresst. So werden die Blechbereiche, welche keinen direkten Werkzeugkontakt haben, durch einen „Wasserwall“ gestützt, so dass bei gezielter Dosierung des Druckes eine Faltenbildung vermieden wird. Über das mit der Druckkammer verbundene Regelsystem, in Verbindung mit der jeweiligen Ziehtiefe, erfolgt die Steuerung des Mediumdrucks während der Umformphase.

Nach Erreichen der mechanisch begrenzten Ziehtiefe wird die Druckkammer entlastet, und die Presse fährt wieder in ihre geöffnete Grundstellung zurück.

Vorteile des Verfahrens:

  • Ein gegenüber dem klassischen Ziehvorgang um 35% erhöhtes Grenzziehverhältnis: ßmax ≈ 2,7 (anstatt ßmax ≈ 2,0)
  • Höhere Maßgenauigkeit als beim klassischen Tiefziehen
  • Geringere Anzahl der Arbeitsvorgänge
  • Häufig Wegfall von Zieh- und Zwischenglühoperationen
  • Die Blechdicke s bleibt annähernd konstant, wodurch auch dünnere Bleche verwendet werden können. = Kosten- und Gewichtsreduzierung
  • Reibung an der Ziehringkante und am Ziehring wird herabgesetzt
  • Hohe Oberflächenqualität

Nachteile des Verfahrens:

  • Zusätzliche Anlageteile für das Wirkmedium nötig
  • Hoher Regelungsaufwand für die Drucksteuerung
  • Werkstück muss nach der Bearbeitung vom Wirkmedium gereinigt werden
  • Höhere Presskraft nötig, da der Stößelkraft FSt neben der Umformkraft FU auch die Reaktionskraft FRe des Wirkmediums entgegenwirkt.

Aktives hydromechanisches Ziehen

Großflächige Bauteile verfügen je nach Formgebung in der Bauteilmitte häufig nur über eine geringe Beulsteifigkeit, so dass bereits die geringe Aufbringung eines Drucks zu Verformungen führen kann. Ursache dafür ist der geringe Umformungsgrad in diesem Bereich, wodurch keine ausreichende Materialverfestigung erreicht wird.

Ein gutes Beispiel geben in diesem Zusammenhang Bauteile für die Automobilindustrie. Großflächige Bauteile, wie z. B. Motorhauben, Dächer oder Türen, erfahren in der Bauteilmitte nahezu keine Umformung. Dies wirkt sich negativ auf die Hagelschlagfestigkeit, unerwünschte Schwingungen bei hohen Geschwindigkeiten und das Crashverhalten aus. Die Konsequenz waren schließlich Verstärkungselemente oder dickere Bleche, woraus höhere Produktionskosten und ein höheres Bauteilgewicht resultierten.

Das „Aktive hydromechanische Ziehen“ (Aktives Hydro-Mec) stellt nun eine Alternative zu diesen Lösungsmöglichkeiten dar. Es eignet sich besonders bei großflächigen Bauteilen mit möglichst geringem Umformungsgrad in vorangegangenen Produktionsschritten.

Verfahrensprinzip:

  • 1.Im ersten Schritt wird die großflächige Platine zwischen der Matrize und dem Blechhalter, der gleichzeitig als Wasserkasten dient, flüssigkeitsdicht eingespannt.
  • 2.Sobald die Blechhaltekraft aufgebaut ist, wird aktiv Emulsion in den Wasserkasten eingebracht und ein definiter Druck (ca. 20 - 30 bar) aufgebaut. Die Platine wird hierbei gesteuert aufgeblasen und über die gesamte spätere Bauteilfläche vorgestreckt, bis sie sich in der Flächenmitte an den Stempel anlegt. Durch diese steuerbare Streckung des Bleches tritt eine Kaltverfestigung ein, die zu einer erheblichen Verbesserung der Beulsteifigkeit des Formteils führt.
  • 3.Nach dem Vorstrecken wird das gesamte untere System mit Blechhalter, Platine und Matrize gegen den Stempel gedrückt, wobei der Emulsionsdruck konstant gehalten oder progressiv/degressiv geregelt werden kann.
  • 4.Zum Schluss wird nochmals Emulsionsdruck (bis max. 600 bar) aktiv aufgebaut, um die Platine optimal an die Kontur des Stempels anzulegen und auszuformen.

Vorteile des Verfahrens:

  • Verbesserte Bauteilstabilität
  • Höhere Beulsteifigkeit
  • Höhere Oberflächenqualität
  • Bauteilgewicht wird gesenkt
  • Nur eine konturgefräste Werkzeughälfte notwendig (bis zu 50 % geringere Werkzeugkosten)
  • Werkzeuge sind für verschiedene Werkstoffe und Blechdicken einsetzbar
  • Geringer Werkzeugverschleiß

Geringer Werkzeugverschleiß

  • Zusätzliche Anlagenteile zur Druckerzeugung nötig
  • Hoher Regelungsaufwand
  • z. T. zusätzliche Bauteilreinigung notwendig

Innenhochdruckumformung (IHU)

Die Innenhochdruckumformung (IHU) ist das Aufweiten metallischer Rohre durch Wasserdruck von innen in einem geschlossenen Werkzeug. Das Werkzeug wird im Allgemeinen durch eine hydraulische Presse geöffnet, geschlossen und zugehalten.

Als Vorrohr kommen gerade, gebogene oder anderweitig vorgeformte Metallrohre zum Einsatz. Mit der Innenhochdruckumformung lassen sich komplex geformte rohrförmige Hohlkörper aus einem Stück fertigen, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht oder nur mehrteilig herstellbar wären. IHU-Bauteile zeichnen sich durch hohe, gleichmäßige Festigkeit und Steifigkeit, optimiertes Gewicht und geometrische Genauigkeit aus.

Verfahrensprinzip:

  • 1.Das Vorrohr – ein gerader oder gebogener Rohrabschnitt – wird in eine Werkzeugform eingelegt, die die Kontur des herzustellenden Fertigteils als Gravur enthält.
  • 2.Das Werkzeug wird durch eine hydraulische Presse geschlossen und zugehalten. Dichtstempel, die an hydraulischen Axialzylindern angebracht sind, verschließen die Vorrohrenden und befüllen das Vorrohr mit dem flüssigen Medium, wodurch sich der Innendruck aufbaut.
  • 3.In dem eigentlichen Umformvorgang wird das Vorrohr aufgeweitet, während die Dichtstempel gleichzeitig die Rohrenden nachschieben. Dadurch fließt Werkstoff in die Umformzone. Die gezielte Regelung des Innendrucks und der Dichtstempelbewegung bewirkt, dass sich der Werkstoff an die Werkzeugkontur anlegt. So erhält das Fertigteil seine endgültige Form.
  • 4.Nach der Innenhochdruckumformung öffnet die hydraulische Presse das Werkzeug zur Teileentnahme.

Prozessverlauf:
Eine erfolgreiche Innenhochdruck-Umformung kann nur dann durchgeführt werden, wenn die Prozessgrößen, wie zum Beispiel der Innendruck und die Axialkraft, richtig aufeinander abgestimmt sind. Wichtig ist hierbei die Bestimmung der Lastkombination aus Innendruck und Axialkraft oder des damit korrespondierenden Axialweges, da diese Prozessgrößen nicht beliebig zueinander gewählt werden können. Arbeitsdiagramme, in denen die Versagensfälle Bersten, Falten und Knicken in Abhängigkeit vom Rohrinnendruck und der Axialkraft aufgetragen sind, liefern den Umformbereich, in dem die von der Maschine aufgebrachten Kraftwirkungen zu versagensfreien Formänderungen am Werkstück führen.

Ist der Innendruch im Vergleich zum Nachschiebeweg der Axialzylinder zu hoch, platzt das Bauteil. Ist er zu niedrig, treten Falten auf. Ein sinnvoller Prozessverlauf wird sich also in einem Arbeitsfenster zwischen der Berst- und Faltgrenze bewegen müssen.

Typische Zykluszeiten für IHU-Prozesse bewegen sich in etwa zwischen 10 und 45 Sekunden.

Einer an die Fertigteilgeometrie und die Umformbarkeit des Werkstückstoffes anpassbaren Prozesssteuerung und –regelung kommt somit eine zentrale Bedeutung zu.

Vorteile des Verfahrens:

  • Bauteile komplexer Geometrie sind herstellbar, die bisher nicht in einem Stück fertigbar waren.
  • Durch die einteilige Bauweise entfallen Verbindungsschweißnähte.
  • Der Kalibrierungsvorgang sorgt für eine hohe Form- und Maßgenauigkeit der Bauteile.
  • Die Kaltverfestigung macht die Bauteile im Allgemeinen verwindungssteif. Sie federn deutlich weniger zurück als solche aus verschweißten Blechschalen. Die Wanddicke kann deshalb oft dünner sein.
  • Im selben Werkzeug können Rohre aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlichen Wanddicken eingesetzt und erprobt werden, so dass man die Möglichkeit zur Gewichts- und Festigkeitsoptimierung hat.
  • Weitere Produktionsstufen können mit eingebunden (Lochen, Einschneiden, Umbiegen, etc.) oder vorbereitet werden.
  • Vorteil für Abgasanlagen: IHU-geformte Bauteile besitzen niedrigere Strömungswiderstände und eine höhere Dauerfestigkeit.

Nachteile des Verfahrens:

  • Hohe Stückzahlen notwendig, um das Verfahren kostengünstig gestalten zu können.
  • Hohe Anlagekosten (verbunden mit Wartungskosten)
  • Exakte Planung des Verfahrens und eine fertigungsoptimierte Gestaltung der Bauteile sind unumgänglich.