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Kaltumformverfahren zum Anbringen eines Verbindungselements an einem Ende einer Hochdruckleitung

Die Erfindung betrifft ein Kaltumformverfahren zum Anbringen eines Verbindungselements an einem Ende einer Hochdruckleitung.

Verfahren zum Anbringen von Verbindungselementen an Hochdruckleitungen sind bekannt. Die deutsche Patentschrift DE 38 01 703 Cl offenbart eine Kraftstoffeinspritzleitung mit angestauchtem Drucknippel, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Der Drucknippel wird an ein Rohr aus zugblankhartem Stahl angestaucht und anschließend in einem Bereich induktiv weichgeglϋht . Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 036 518 Al offenbart eine verdrehsichere Dichtkegelverbindung bei Einspritzleitungen zur Kraftstoffeinspritzung. Ein Dichtkegel und/oder eine korrespondierende Aufnahme der Dichtkegelverbindung weisen/weist zumindest in Teilbereichen eine Form auf, die, hinsichtlich des Querschnittes durch den Dichtkegel und/oder die Aufnahme senkrecht zur Kegelachse, von der Kreisform abweicht. Die deutsche Patentschrift DE 100 27 703 B4 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen, insbesondere Fließpressen, eines metallischen Werkstücks, wobei eine Matrize mit einer Oszillationsvorrichtung in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück erregbar ist. Die deutsche Patentschrift DE 195 11 063 C2 offenbart eine Rohrverbindung mit einem Rohr mit einem Verbindungsabschnitt und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die deutsche Patent-

schrift DE 197 35 486 C2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kaltverformen von Werkstücken, wobei eine durch eine von einer Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen einem Werkstück und einer Verformungsmatrize derart modellierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder die Verformungsmatrize in Vorschubrichtung einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauf folgenden Rückwärtshub eine Bewegung der Verformungsmatrize und/oder des Werkstücks in einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Hochdruckleitung sowie ein Verfahren zum Kaltumformen zum Anbringen eines Verbindungselements an einem Ende einer solchen Hochdruckleitung anzugeben.

Die Aufgabe ist mit einem Kaltumformverfahren zum Anbringen eines Verbindungselements an einem Ende einer Hochdruckleitung mittels eines Werkzeuges zum Einbringen einer Axialkraft in das Ende der Hochdruckleitung gelöst, wobei die Hochdruckleitung aus einem hochfesten Werkstoff gebildet ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Durchführen einer axialen Vorschubbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Ende der Hochdruckleitung zum Einleiten der Axialkraft und überlagern der axialen Vorschubbewegung mit einer Frequenzmodulation. Insbesondere bei einem direkt einspritzenden Verbrennungsmotor kann eine Hochdruckleitung für die Kraftstoffleitung zwischen Komponenten eines Einspritzsystems des Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Die Hochdruckleitungen können dabei so ausgelegt sein, dass sie Betriebsdrücke bis zu 2.600 bar dauerfest aushalten. Um dies zu gewährleisten, sind die Hochdruckleitungen aus einem hochfesten Werkstoff gebildet. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor handeln. Bei der Verwendung der Hochdruck-

leitungen in einem Benzinmotor können diese zusätzlich besondere Korrosionsschutzanforderungen erfüllen, insbesondere zur Verhinderung von Alkoholatkorrosion ausgelegt sein. Diese Korrosionsschutzanforderungen können beispielsweise Edelstahlwerkstoffe erfüllen. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet, trotz der besonderen Materialanforderungen bezüglich hohen Drücken und/oder Korrosionsschutz und damit einhergehenden speziellen Materialeigenschaften die Hochdruckleitungen durch Kaltumformen mit dem Verbindungselement zu versehen beziehungsweise zu verbinden. Bei dem Verbindungselement kann es sich beispielsweise um einen Dichtkegel handeln. Vorteilhaft ist kein mechanisches und/oder thermisches Fügen zum Anbringen des Verbindungselements notwendig. Es sind insbesondere keine Schneidringverschraubungen und/oder über Gewinde aufgeschraubte Bundmuttern notwendig. Vorteilhaft entstehen zur Anbringung des Verbindungselements vergleichsweise geringe Prozesskosten. Ferner ist das Verbindungselement vergleichsweise wenig anfällig bezüglich Undichtigkeit und/oder einem ungewollten Lösen des Verbindungselements von der Hochdruckleitung während des Betriebs des Verbrennungsmotors. Des Weiteren sind beispielsweise zum Warmanstauchen notwendige Prozessschritte, insbesondere Erwärmen, Entzundern, nicht notwendig. Vorteilhaft kann durch die Frequenzmodulation sichergestellt werden, dass ein durch die Axialkraft hervorgerufener Querfließprozess auch bei vergleichsweise großen, für das Anstauchen des Verbindungselements notwendigen Stauchlängen ohne Faltenbildung erfolgen kann. Vorteilhaft kann durch die Frequenzmodulation das Umformen der Hochdruckleitung in inkrementell kleinen Umformschritten erfolgen, wobei vorteilhaft die Faltenbildung vermieden werden kann. Die Frequenzmodulation kann an die gewünschte Bauteilgeometrie des Verbindungselements angepasst werden, wobei vorteilhaft auch die tribologischen Verhältnisse in der Umformzone optimiert werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden Schritt auf: Durchführen der Frequenzmodulation mit einer Frequenz größer als 17 Hz, vorzugsweise zwischen 17 und 30 Hz. Vorteilhaft können bei diesen vergleichsweise hohen Frequenzen überraschend gute Werkzeugstandzeiten sowie eine ü- berraschend gute Oberflächengüte des angebrachten Verbindungselements erzielt werden. Eine erwartungsgemäße Verschlechterung der Oberflächengüte tritt in diesem Frequenzband nicht mehr beziehungsweise in einem zu vernachlässigenden Maße auf.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden Schritt auf: Durchführen einer einzigen frequenzmodulierten Vorschubbewegung zum Anformen des Verbindungselements. Das Verbindungselement kann vorteilhaft in einem einzigen Prozessschritt mit vielen durch die Frequenzmodulation bedingten inkrementell kleinen Umformschritten angebracht werden. Die üblicherweise bei mehrstufigen Kaltumformungen erforderlichen höheren Prozesskosten können eingespart werden. überdies treten keine zusätzlichen größeren Form-, Maß-, und Lageabweichungen, bedingt durch mehrstufiges Kaltumformen, auf.

Die Aufgabe ist außerdem mit einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckleitung und einem daran angeformten Verbindungselement, hergestellt nach einem vorab beschriebenen Verfahren gelöst. Es ergeben sich die oben genannten Vorteile.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffleitung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochdruckleitung aus einem hochfesten Werkstoff mit einer Streckgrenze von über 700 MPa, bevorzugt über 800 Megapascal (MPa) , vorzugsweise bis zu

1.300 MPa, aufweist. Vorteilhaft können solche Hochdruckleitungen zum Führen von Betriebsdrücken zu 2.600 bar dauerfest ausgelegt werden, wobei diese vergleichsweise dünnwandig und damit material- und gewichtssparend ausgelegt werden können.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffleitung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochdruckleitung aus einem hochfesten Edelstahlwerkstoff gebildet ist. Vorteilhaft können solche Edelstahlwerkstoffe auch bei direkt einspritzenden Benzinmotoren verwendet werden, wobei diese gegen Alkoholatkorrosion beständig sind. Vorteilhaft können Hochdruckleitungen aus hochfestem Edelstahlwerkstoff auch für Dieselmotoren eingesetzt werden, wobei vorteilhaft ein Au- tofrettageschritt entfallen kann. Unter Autofrettage kann ein Prozessschritt verstanden werden, bei dem die Hochdruckleitung bei deren Herstellungsprozess mit einem Mehrfachen des späteren Betriebsdrucks, beispielsweise bis zum dreifachen Betriebsdruck, beaufschlagt wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffleitung zeichnet sich dadurch aus, dass das angeformte Verbindungselement einen Hohldichtkegel aufweist. Der Hohldichtkegel kann eine hohle Innenform, einen Bund und im Dichtbereich eine Kugelform aufweisen, insbesondere speziell für einstufiges Anformen ausgelegt sein. Einen solchen Dichtkegel beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 018 217 Al derselben Anmelderin. Diese Offenlegungsschrift, insbesondere die Figuren sowie die dazugehörige Beschreibung wird beziehungsweise werden durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.

Die Aufgabe ist außerdem durch ein Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Kraftstoffleitung gelöst.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Die einzige Figur zeigt ein Messdiagramm verschiedener Prozessparameter beim Anstauchen eines Verbindungselements an ein Ende einer Hochdruckleitung.

Die Figur zeigt verschiedene Prozessparameter beim Anstauchen eines Verbindungselements an eine Hochdruckleitung, wobei das Anstauchen mit einer Frequenzmodulation 13 erfolgt. Bei dem Verbindungselement kann es sich beispielsweise um einen Hohldichtkegel gemäß der Anmeldung derselben Anmelderin mit dem Aktenzeichen DE 10 2004 018 217 Al handeln.

Die Figur zeigt den zeitlichen Verlauf einer sich aus einem axialen Vorschubweg 9 beziehungsweise Vorschubbewegung ergebenden Umformkraft 11 beziehungsweise Axialkraft, wobei auf einer x-Achse 3 die Prozesszeit in Sekunden angegeben ist. Eine erste y-Achse 5 gibt die Umformkraft 13 in kN und eine zweite y-Achse 7 gibt den Vorschubweg 9 in mm an. Der in der Figur dargestellte Umformvorgang kann mittels einer Vorrichtung und/oder einem Verfahren gemäß der deutschen Patentschrift DE 197 35 486 C2 durchgeführt werden.

Der Figur kann entnommen werden, dass dem Vorschubweg 9 die Frequenzmodulation 13 überlagert ist. Durch die Frequenzmodulation 13 erfolgt nach einer Vorschubbewegung, bei der sich die Hochdruckleitung und eine entsprechende Matrize eines Werkzeuges annähern, eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung, wobei diese ungefähr 50 % der Vorschubbewegung ausmacht. Es ist ersichtlich, dass in Reaktion auf die Frequenzmodulation 13 die Umformkraft 11 eine Oszillation 15 durch-

führt. Das Werkstück, also die Hochdruckleitung, wird in in- krementell kleinen, hammerartigen Schritten umgeformt. Die Frequenz der Frequenzmodulation 13 beziehungsweise der Oszillation 15 kann > 17 Hz, vorzugsweise zwischen 17 Hz und 30 Hz, betragen. Denkbar sind jedoch auch Frequenzen kleiner als 17 Hz.

Die Figur zeigt, dass jede der inkrementell kleinen Vorschubbewegungen der Frequenzmodulation 13 ein Peak 17 der Umformkraft 11 bewirkt. Entsprechend bewirken die darauf folgenden entgegengesetzten Rückbewegungen Peaks 19 der Umformkraft 11 in entgegengesetzter Richtung beziehungsweise mit negativem Vorzeichen. Die Peaks 17 und 19 der Umformkraft 11 steigen mit zunehmendem Vorschubweg zunächst an und erreichen dann ein im weiteren Verlauf der Umformung im Wesentlichen konstantes Maximum.

Vorteilhaft kann das Dichtkegelanstauchen auch an Hochdruckleitungen aus einem hochfesten Werkstoff einstufig und als Kaltumformprozess durchgeführt werden. Unter einstufig kann der frequenzmodulierte Anstieg des Vorschubweges 9 verstanden werden, der in der Figur von links unten, bei 220 mm beginnend, entsprechend der überlagerten Frequenzmodulation 13 auf einen Höchstwert von knapp unter 260 mm ansteigt. Zusammenfassend ergibt sich vorteilhaft im Vergleich zum mehrstufigen Anstauchen geringe Investitionssumme für die Werkzeugherstellung. Darüber hinaus können sämtliche weiteren Prozessschritte wie Vorerwärmen sowie Nachbearbeitungsschritte des Verbindungselements im Vergleich zum Warmstauchen entfallen. Im Vergleich zu gefügten Verbindungselementen ergeben sich eine vorteilhaft geringere Bauteilanzahl und der Entfall des Fügeprozesses selbst. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an sehr dünnwandigen Hochdruckleitungen erfolgen, da durch die inkrementellen Umformschritte ein Auskni-

cken der Hochdruckleitung verhindert wird. Als dünnwandig wird eine Hochdruckleitung bezeichnet, bei der das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und der Wanddicke der Hochdruckleitung kleiner als vier ist. Schließlich ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen partiellen Fließprozessoperationen, insbesondere mit hochfesten Werkstoffen, insbesondere hochfesten Edelstahlwerkstoffen, einzusetzen.

Unter hochfestem Werkstoff wird in dieser Anmeldung ein Stahlwerkstoff mit einer Streckgrenze von über etwa 700 Mega- pascal verstanden. Unter einem hochfesten Edelstahlwerkstoff wird ein Edelstahlwerkstoff mit einer Streckgrenze von über etwa 800 Megapascal verstanden.

Vorteilhaft ergibt sich trotz beziehungsweise gerade wegen der inkrementellen Umformschritte und trotz beziehungsweise gerade wegen der vergleichsweise hohen Frequenzen ein Verbindungselement beziehungsweise Dichtkegel mit einer sehr hohen Oberflächengüte. Vorteilhaft ergibt sich durch die Frequenzmodulation 13 eine vergleichsweise geringe maximale Umformkraft 11, beispielsweise nur ca. 50 % der üblicherweise bei einer kontinuierlichen Vorschubbewegung auftretenden Umformkräfte. Vorteilhaft können dadurch auch die Spannkräfte zum Einspannen der Hochdruckleitung in dem entsprechenden Werkzeug gesenkt werden. Insbesondere für dünnwandig ausgeführte Hochdruckleitungen stellt dies einen großen Vorteil dar, da diese, insbesondere bei kurzen Baulängen, einfacher beschädigungsfrei eingespannt werden können.