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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Druck-, Zug-Druck-, Zug- oder Schubumformung eines festen Körpers durch die Einwirkung mechanischer Kräfte. Diese auch "Umformen" genannt Gruppe von Verfahren wird in der industriellen Fertigungstechnik sehr häufig verwendet und gewährleistet die rasche und billige Herstellung von räumlich geformten Teilen aus Blechen oder massiven Rohlingen In bekannter Welse wird dabei ein duktiler Werkstoff durch die mechanische Einwirkung von rotierenden Werkzeugen (Walzen, Rollen) bzw. durch Matrizen und Stempel in ihrer geometrischen Gestalt verändert
Ein Verfahren, an dem sich besonders gut die Grenzen der Umformtechnik nach bekannten Verfahren zeigen lässt und das in der Blechbearbeitung sehr häufig anzutreffen ist, ist das Tiefziehen.
Dabei handelt es sich um die Zugdruckumformung von Blechen in einen Hohlkörper oder eines Hohlkörpers in einen solchen mit kleinerem Querschnitt ohne gewollte Veränderung der Blechdicke. Die Form, in die das Blech eingepresst wird nennt man dabei Matrize, während von der anderen Seite des Bleches ein sogenannter Stempel die Kraft vermittelt. Als Folge nimmt das Material, das ursprünglich beispielsweise in Form einer ebenen Ronde vorgelegen ist, die Form der Matrize an Die Matrize selbst ist unten offen, womit die Höhe des hergestellten Bauteiles durch den den Tiefziehvorgang bewirkenden Stempel bestimmt wird, während der Umfang durch die Form der Matrize festgelegt wird. Ein drittes Werkzeug, der Niederhalter, presst die Ronde an die Matrize und verhindert damit ein Aufwölben des Werkstückes.
Die eigentliche Umformung erfolgt beim Tiefziehen in dem schmalen nngförmigen Bereich, wo Matrize, Niederhalter und Stempel aneinander grenzen und wo das Werkstück in radialer Richtung gedehnt und In tangentialer Richtung gestaucht und darüber hinaus noch um 900 gebogen wird.
Durch das Auftreten von Kaltverfestigung sind die dabei moglichen Längenänderungen limitiert, sodass bei diesem Verfahren das Ziehverhältnis, das heisst das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der ursprünglichen Ronde und dem des durch das Ziehen hergestellten Bauteiles, mit etwa 2 begrenzt ist, so dass für die Erzielung grösserer Verformungen mehrere Züge hintereinander ausgeführt werden müssen. Das Ziehverhältnis ist insbesondere auch dadurch begrenzt, dass bei zu grosser Verformung im Bereich des Bodens Risse ("Bodenreisser") zustande kommen, die mit einem Überschreiten der maximal zulässigen Spannung in diesem Bereich und der benachbarten Wand zusammenhängen.
Diese anhand des Tiefzfehens beschriebenen Effekte treten bel allen Umformverfahren auf, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur eines Werkstucks ablaufen und schränken die Möglichkeiten dieser Verfahren ein Bei den Warmumformverfahren wird der Nachteil der Kaltverfestigung dadurch vermieden, dass das Werkstück bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird. Bel länger andauernden Bearbeitungsvorgängen, wie etwa beim Durchlauf eines Werkstücks durch eine Walzstrasse und der dabei auftretenden Abkühlung des Werkstücks kann jedoch auch dabei der Effekt der Kaltverfestigung nach und nach zum Tragen kommen.
Zur Erwärmung des Werkstücks werden dabei-sofern der Werkstoff unmittelbar vorher nicht erschmolzen wurde und noch warm ist-gemäss des Standes der Technik Öfen benutzt, die etwa mit Gas oder mit elektrischer Energie beheizt werden. Aber auch die Beheizung mit dem Laserstrahl-zumindest prinzipiell-als Alternative zu den beiden zuvor angeführten Wärmequellen ist bereits bekannt (WO 84/03851). Auch während des freien Biegens wurde bereits die Erwärmung mittels eines die Biegekante am Werkstück abtastenden Laserstrahls vorgeschlagen
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wobei in bekannter Weise günstige Werkstoffeigenschaften für darauffolgende Bearbeitungsschritte erzielt werden können. So liefert etwa das Beschneiden der Oberkante eines tiefgezogen Napfes mit dem Laserstahl eine günstige Beeinflussung der Materialeigenschaften, wie in US 4 261 274 angegeben.
Auch die gezielte Behandlung der Umformzone mit dem Laserstrahl vor der eigentlichen Umformung entspricht bereits dem Stand der Technik (DE 4 422 137 Cul)-
Die gegenständliche Erfindung bietet nun die Möglichkeit, den Effekt der Kaltverfestigung in kritischen Zonen des Werkstücks zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden, womit beispielsweise beim Tiefziehen das zulässige Ziehverhä) tn) s vergrössert werden kann. Ferner erlaubt diese, Eigenschaften des Bauteils, wie etwa die Grösse und Form der Körner des Gefüges, bzw. die durch den Umformvorgang entstehenden Eigenspannungen zu beeinflussen Das erfindungsgemässe Verfahren sieht zu diesem Zweck eine Erwärmung des Werkstücks während des Umformvorganges
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lokal in denjenigen Bereichen vor, in denen grosse Umformgrade auftreten.
Die erfindungsgemässe Kombination der Erwärmung während des Umformvorganges und die gezielte, lokale Erwärmung nur in denjenigen Zonen des Werkstücks, in welchen dies die Umformeigenschaften verbessert, ermöglicht die Einsparung von Verfahrensschritten und damit von Zeit, sowie von Energie. Darüberhinaus wird die Belastung des Werkstoffs minimiert, was in einer gesteigerten Massgenauigkeit (geringer Schwund) sowie in einer besseren Oberflächenqualität (reduzierte Verzunderung) zum Ausdruck kommt.
Bei den beispielsweise beim Tiefziehen häufig annähernd zylindersymmetrischen Matrizenund Stempeigeometrien erfordert dies einen ringförmigen Laserstrahl bzw. einen auf einer ringförmigen Bahn über das Werkstuck wandernden Laserstrahl.
Die Effekte, die sich durch die erfindungsgemässe Steigerung der Temperatur ergeben, lassen sich sehr gut anhand des Spannungs- Dehnungs- Diagramms des verwendeten Werkstoffs erläutern. In diesem Diagramm verschiebt sich die Kurve mit steigender Temperatur einerseits nach unten was gleichzeitig ein Absinken der Zugfestigkeit und der Streckgrenze (und damit auch der Fliessgrenze) bedeutet und andererseits zu höheren Dehnungswerten hin, was mit einer Vergrösserung der Bruchdehnung verbunden ist. Damit kann eine Verringerung der erforderlichen Umformkraft bzw. -arbeit erzielt werden, sodass ein gegebener Umformgrad mit einer schwächeren Presse erzielt werden kann, bzw dass ein stärkeres Blech bzw. ein dickerer Rohling umgeformt werden kann. Bei sonst gleichbleibenden Parametern kann darüberhinaus die Qualität der Bearbeitung verbessert werden.
Die Gefahr der oben erwähnten beim Tiefziehen auftretenden Ziehfehler, also etwa der Bodenreisser, wird geringer und Werkstoffe mit ungünstigem Fliessverhalten können leichter bearbeitet werden. Darüberhinaus kann mit dem Laserstrahl auch eine entsprechende Wärmebehandlung erzielt werden, also etwa Spannungsarmglühen oder Normalglühen, um Eigenspannungen abzubauen und ein feines Korn zu erzeugen.
Da die Umformgrade bei komplexere Formen lokal unterschiedlich sind, müssen zuerst durch bekannte Verfahren, wie etwa durch das Aufdrucken eines Rasters auf das Werkstück vor der Bearbeitung und die Untersuchung desselben nach erfolgter Umformung, die Bereiche maximaler Umformgrade identifiziert werden. Diese Bereiche maximaler Umformgrade werden dann erfindungsgemäss durch den Laserstrahl, der durch an sich bekannte Strahlformungsoptiken bzw. durch Scanner an die identifizierten Geometrien angepasst wurde, erwärmt.
Da die Laserstrahlung gebräuchlicher Laser eine gaussförmige Intensitätsverteilung aufweisen und die Zonen maximaler
Umformgrade bei kompliziert geformten Bauteilen sehr komplex sind, sind entweder die erforder- lichen Strahiformungsoptiken sehr aufwendig oder die Anpassung zwischen Werkstück und Laser- strahl ist entsprechend schlecht.
Bei Btechronden, die in näherungsweise zylindersymmetnsche Matrizen tiefgezogen werden, treten die maximalen Umformgrade im Bereich der Oberkante der zylinderförmigen Einsenkung in der Matrize auf, womit sich ein ringförmiger Bereich als die Zone der maximalen Umformung ergibt.
Während sich derartige Geometrien mit Laserstrahlung konventioneller transversaler Intensitats- verteilung nicht vollständig erfassen lassen, kommen hier gemäss einer Ausführungsform der Erfin- dung In vorteilhafter Weise COLaser neuester Bauart zum Einsatz (siehe DE 3810604 C2), welche bereits konstruktionsbedingt einen ringförmigen Strahl erzeugen.
Unter Verwendung derar- tiger Laser wird mit relativ einfach und billig aufgebauten Strahiführungssystemen eine Erwärmung und Erweichung des Werkstücks in dem erforderlichen ringförmigen Bereich am Werkstück erzielt.
Eine weitere kritische Zone in bezug auf das Auftreten grosser Umformgrade ist der Bereich des
Werkstücks, der mit der Unterkante des Stempels in Kontakt steht und somit den Boden des tief- gezogenen Werkstücks bildet Dieser Bereich wird gemäss einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung entweder alleine oder zusätzlich zum im vorhergehenden Absatz erwähnten oberen
Bereich durch Laserstrahlung erwärmt. Dieser Bereich ist natürlich nur von der Gegenseite der
Richtung der Einwirkung des Pressstempels erreichbar. Auch hier wird vorzugsweise ein ring- förmiger Strahl eingesetzt, da dieser in erwünschter Weise an seiner Aussenseite, also zur Innen- wand der Einsenkung in der Matrix hin gerichtet, seine maximale Intensität aufweist und somit in diesem kritischen Bereich eine maximale Erwärmung bewirkt.
Eine weitere Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens basiert auf der Verwendung von
Walzen, die auf einem Halter montiert sind, welcher um die Symmetrieachse des Pressstempels rotiert. Dieses Walzensystem ersetzt den üblicherweise eingesetzten Niederhalter und verhindert
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wie dieser ein Aufwölben der Blechronde während des Tiefziehvorganges. Durch diese Massnahme wird nun eine grössere Fläche des Werkstücks im Bereich grosser zu erwartender Umformgrade für die Laserstrahlung zugänglich.
Eine andere alternative Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung ermöglicht eine flexible Umformung mittels Stempel einfacher Geometrie, der durch einen Koordinatenverfahrtisch positioniert werden kann. Hier wird der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert und ein beispielsweise an den Bearbeitungskopf montierter Stempel mit versetztem Gegenstempel drückt neben der Auftreffstelle des Strahl das Blech nach unten. Bei gleichzeitigem Vorschub des Werkstücks entlang einer beliebig wählbaren Kontur wird sukzessive das Blech nach unten gezogen. Die Kontur wird dabei je nach angestrebter Tiefe mehrmals abgefahren, da die Tiefenänderung aufgrund der geringen zulässigen Krafteinwirkung sowohl auf den Stempel als auch auf das Werkstück sehr limitiert ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur flexiblen Umformung von massiven Werkstücken benutzt einen einzigen Stempel, der auf ein auf einer stabilen Unterlage ruhendes Werkstück einwirkt. Im Bereich des Stempels wird das Werkstück erfindungsgemäss durch einen Laserstrahl erwärmt, wobei durch einen Koordinatenverfahrtisch eine Reiativbewegung zwischen dem System Laserstrahl- Stempel und dem Werkstück erzielt wird. Bei Einsenkung des Stempels in das Werkstück und Abfahren einer vorgegebenen Kontur wird diese im Werkstück abgebildet. Die Kontur wird dabei je nach angestrebter Tiefe mehrmals abgefahren, da die Tiefenänderung pro Durchgang aufgrund der geringen zulässigen Krafteinwirkung sowohl auf den Stempel als auch auf das Werkstück sehr limitiert ist.
In der Folge sollen nun einige bevorzugte Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung im Detail beschneben werden. Figur 1 zeigt dabei einen durch den Laser unterstützten Tiefziehvorgang, bei dem der Laserstrahl koaxial zum Pressstempel zugeführt wird und von der selben Seite wie der Pressstempel auf das Werkstück einwirkt. Figur 2 zeigt ebenfalls einen durch den Laser unterstützten Tiefziehvorgang, wobei der Laserstrahl und der Pressstempel von entgegengesetzten Seiten auf das Werkstück einwirken. In Figur 3 ist wieder ein Tiefziehverfahren dargestellt, bei dem der an sich bekannte Niederhalter durch ein System von über das Werkstück rollenden Walzen ersetzt wird.
Figur 4 zeigt ein Umformverfahren in Grund- und Aufriss, bei dem zwei einfache, gegeneinander versetzte Pressstempel das durch den Laserstrahl erwärmte Material lokal umformen, wobei die gewünschte Geometrie der Einsenkung im Werkstück durch einen Koordinatenverfahrtisch abgefahren wird.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung der gegenständlichen Erfindung im Falle des Tiefziehens von zylinderförmigen Einsenkungen in Blechronden. Die Blechronde (1) wird dabei in an sich bekannter Weise zwischen der Matrize (2) und dem Niederhalter (3) eingelegt, worauf der Stempel (4) die eigentliche Zugdruckumformung durchführt. Der koaxiale Laserstrahl (5) trifft gemäss der Erfindung das Werkstück (1) im Bereich der Kante, bei der der Stempel in die tiefgezogene Einsenkung eintaucht.
Figur 2 zeigt eine andere beispielhafte Ausführung, in der wieder das an sich bekannte Tiefziehverfahren den Ausgangspunkt bildet. Die Blechronde (1) wird dabei durch die Matrize (2) und den Stempel (4) umgeformt, wobei der Niederhalter (3) die Aufwölbung des Werkstücks verhindert.
Der koaxiale Laserstrahl (6) trifft das Werkstück (1) von der Unterseite, wobei die maximale
Leistungsdichte im Bereich der unteren Kante des umzuformenden Werkstücks auftrifft.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung. In dieser Abbildung
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(in dieser Abbildung verdeckten) Matrize liegt und durch den Stempel (4) in diese tiefgezogen wird.
In dieser Ausführungsform wird der normalerweise benutzte Niederhalter erfindungsgemäss durch ein System von Walzen (7) ersetzt, die auf einem Halter montiert sind, welcher um die Symmetrieachse des Stempels (4) rotiert. Die Walzen rollen dadurch in der Ebene des Bleches über dieses ab und hindern es somit an einer Aufwölbung. Zwischen den Walzen bleibt nun ein grösserer Bereich als bei der Verwendung bekannter Niederhatter, sodass das Werkstück nun auf einer grösseren Fläche für den Laserstrahl (8) zugänglich wird. Gemäss der gezeigten Ausführungsform kommen vier Walzen zur Anwendung, wodurch ein in vier Segmente unterteilter Laserstrahl das Werkstück nahezu vollständig erfasst. Das System der Walzen rotiert zusammen mit der an sich bekannten Optik zur Verteilung des Laserstrahls um den Stempel.
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Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück (1) zwischen zwei Stempel (9), (10) mit vorzugsweise quadratischem Querschnitt umgeformt. Der Laserstrahl (11) erwärmt dabei erfindungsgemäss das Werkstück an der Stelle der Umformung und erleichtert damit das Fliessen des Werkstoffs. Durch Vorschub des Werkstücks in der Werkstückebene kann die umgeformte Kontur nahezu beliebig vorgegeben werden. Figur 4 zeigt dabei beispielsweise das Verfahren bei linearer Vorschubrichtung (12). Zur Reduktion des Kraftaufwandes für die Umformung erfolgt diese bei erforderlichen hohen Gesamtumformgraden in mehreren Schritten, was durch mehrmaliges Abfahren der gewünschten Kontur und Zustellen eines der beiden oder beider Stempel erfolgen kann.
In der beispielhaften Ausführung nach Figur 4 erfolgt die Zustellung des oberen Stempels in der Richtung (13) normal zur Ebene der Werkstücksoberfläche.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Druck-, Zug-Druck-, Zug- oder Schubumformung eines festen Körpers durch die Einwirkung mechanischer Kräfte, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während des Umformens durch die Wechselwirkung mit einem Laserstrahl lokal wie an sich bekannt erwärmt wird.