DE10155234A1

DE10155234A1 - Werkzeug aus Kunststoff

Info

Publication number: DE10155234A1
Application number: DE10155234A
Authority: DE
Inventors: Alaoui Mohamed Mekkaoui; Juergen Vosberg; Werner Hufenbach; Klaus Kunze
Original assignee: Vantico GmbH; INST LEICHTBAU und KUNSTSTOFFT; ThyssenKrupp Automotive AG; Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG; Gestamp Umformtechnik GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-22
Also published as: EP1446246A1; JP2005507782A; WO2003039782A1; DE50212369D1; US20050034504A1; EP1446246B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug, umfassend einen Teilbereich, der aus einem Kunststoff besteht, in den ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist ein Umformwerkzeug, welches beispielsweise für das Tiefziehen von Metallteilen eingesetzt wird. Der Teilbereich, in den ein Material mit Gleiteigenschaften, beispielsweise Graphit, eingelagert ist, ist eine Frontschicht (11) des Werkzeugs, die dessen Umformbereich umfasst. Der Hinterbau (12) des Werkzeugs besteht ebenfalls aus Kunststoff, der gegebenenfalls konventionelle Füllstoffe enthalten kann. Die mit beispielsweise eingelagertem Graphit verstärkte Frontschicht (11) des Werkzeugs ermöglicht ein Tiefziehen gegebenenfalls ohne Verwendung von Schmierstoffen, wobei das Werkzeug im Umformbereich gute Gleiteigenschaften sowie eine hohe Druckfestigkeit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug umfassend einen Teilbereich, der aus einem Kunststoff besteht, in den ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist.
Herkömmlicherweise werden bei Umformprozessen, beispielsweise beim Tiefziehen, Werkzeuge aus Stahl oder Grauguss verwendet. In jüngerer Zeit sind auch bereits mindestens teilweise aus Kunststoff bestehende Umformwerkzeuge bekannt geworden, die für bestimmte Anwendungen, z. B. für Kleinserien in Betracht kommen. Beispielsweise beschreibt die DE 199 00 597 A1 ein Blechumformungswerkzeug und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem das Werkzeug aus Schichten von Kunststoffolien hergestellt wird, die nacheinander übereinander geklebt werden. Dabei kann auch Kunststoffpulver schichtweise in einen Arbeitsraum gefüllt und danach mittels eines Laserstrahls versintert werden. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren sind aber zum einen relativ aufwendig und außerdem kommen derartige Werkzeuge nur für die Umformung von Werkstücken in Betracht, die in kleinen Serien mit einer begrenzten Fertigungsstückzahl hergestellt werden.
Die DE 93 18 272.4 U1 beschreibt ein Werkzeug für die spanlose Verformung von Werkstücken, wobei das Werkzeug an sich aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss besteht, aber ein Führungsteil des Werkzeugs, welches eine Gleitfläche aufweist, aus einem Duroplast mit Faser- oder Gewebeeinlage und mit Einlagerungen aus Lamellengraphit hergestellt ist. Dadurch sollen die Gleiteigenschaften verbessert und der Verschleiß gemindert werden. Dieses bekannte Werkzeug besteht jedoch nur im Bereich gegeneinander verschiebbarer Werkzeugteile wie Schlitten und dergleichen teilweise aus Kunststoff, nicht jedoch in den Umformbereichen selbst in denen das Werkzeug auf ein Werkstück einwirkt. Ein einen Umformbereich des Werkzeugs bildender Biegestempel besteht vielmehr aus Metall.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aus einem alternativen Werkstoff bestehendes Werkzeug mit vorteilhaften Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Werkzeugen zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Werkzeug der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist das Werkzeug ein Umformwerkzeug und der aus Kunststoff bestehende Teilbereich, bei dem in den Kunststoff ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist, ist ein Umformbereich des Werkzeugs. Der genannte Teilbereich des Werkzeugs bestehend aus einem Kunststoff, in den ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist, umfasst vorzugsweise eine Frontschicht des Werkzeugs. Als Material mit Gleiteigenschaften kann dieser Teilbereich des Werkzeugs beispielsweise Graphit enthalten. Vorzugsweise enthält der Kunststoff des Werkzeugs in diesem Teilbereich Graphitpulver, insbesondere Graphitpulver in einer Korngröße von zwischen etwa 50 und etwa 250 µm. Die Dicke der genannten Frontschicht im Umformbereich des Werkzeugs, in der der Kunststoff ein Material mit Gleiteigenschaften enthält, beträgt vorzugsweise wenigstens etwa 5 mm. Beispielsweise liegt die Dicke dieser Frontschicht in einem Bereich zwischen etwa 5 und etwa 15 mm.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht vor, dass nicht nur der Umformbereich des Werkzeugs aus Kunststoff besteht, sondern, dass das Werkzeug auch einen im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Hinterbau aufweist. Das gesamte Werkzeug kann demnach aus Kunststoff bestehen, wobei jedoch nur der den Umformbereich bildende Teilbereich aus einem Kunststoff bestehen muss, in den ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist. Für den Hinterbau kann man ein kostengünstigeres Material verwenden. Vorzugsweise besteht der Hinterbau des Werkzeugs aus einem einen Füllstoff enthaltenden Kunststoff. Dabei kommen Füllstoffe wie z. B. Aluminium und/oder Grauguss und/oder Sand, vorzugsweise in Pulverform in Betracht. Der Hinterbau besteht damit aus einem Werkstoff, der eine ausreichende Druckfestigkeit aufweist. Der Hinterbau kann beispielsweise aus Vollguss bestehen umfassend den Kunststoff und den oder die Füllstoffe. Die als Umformbereich dienende Frontschicht des Werkzeugs hat zum einen eine erhöhte Druckfestigkeit in den Bereichen, die mit dem umzuformenden Werkstück in Kontakt treten, wobei durch das eingearbeitete Material mit Gleiteigenschaften zudem die Gleitfähigkeit im Bereich der Kontaktfläche gegeben ist. Es wird quasi im Umformbereich, d. h., im Bereich der Frontfläche des Werkzeugs ein Selbstschmiereffekt erzielt, durch den die Verwendung herkömmlicher Schmiermittel vollständig oder weitgehend entfallen kann.
Bevorzugt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Tiefziehwerkzeugen. Dies können beispielsweise Stempel, Blechhalter oder Matrizen sein, insbesondere für das Tiefziehen von Metallteilen. Die erfindungsgemäßen Tiefziehwerkzeuge eignen sich insbesondere für das Umformen von Metallteilen z. B. für den Automobilbau oder Flugzeugbau. Durch die Einlagerung des Materials mit Gleiteigenschaften wird verhindert, dass beim Tiefziehvorgang z. B. eines Metallblechs, welches dabei in einer Zugrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Tiefziehwerkzeugs beansprucht wird, Partikel, insbesondere Füllstoffpartikel aus der Kunststoffmatrix herausgerissen werden und dadurch Risse im Werkzeug entstehen.
Die Vorteile der Kunststoffwerkzeuge aus den erfindungsgemäßen Materialien gegenüber herkömmlichen Stahlwerkzeugen liegen in den beispielsweise bis zu etwa 70% niedrigeren Materialkosten. Die für die Herstellung der Werkzeuge verwendeten Kunststoffe lassen sich besser verarbeiten und dadurch ist bei der Herstellung der Werkzeuge der maschinelle Einsatz geringer. Der Energie- und Leistungsbedarf bei der Maschinenarbeit zur Herstellung der Werkzeuge lässt sich z. B. um 65% reduzieren. Die Einarbeitungszeit ist ebenfalls bis zu beispielsweise 60% kürzer als bei Stahlwerkzeugen. Die Verwendung von erfindungsgemäßen Kunststoffen zur Herstellung der Werkzeuge führt zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung von beispielsweise bis zu 60% und dadurch zu einer geringeren Belastung der Krananlagen. Die Werkzeuge lassen sich flexibler und kostengünstiger ändern, wobei wiederum eine hohe Kosten-, Zeit-, und Energieersparnis erzielt wird. Die Werkzeuge sind außerdem recyclinggeeignet, da sie sich als Füllstoffe zur Herstellung neuer Kunststoffwerkzeuge vollständig wiederverwenden lassen, wodurch die Entsorgungskosten entfallen.
Das elastische Verhalten der Kunststoffe führt zu einer Qualitätserhöhung bei den umgeformten Werkstücken. Durch das Einbetten von Graphit in den Kunststoff der Werkzeuge wird ein Selbstschmiereffekt an den Kontaktschichten des Werkzeugs erzeugt. Wenn es bei der Umformung überhaupt noch notwendig ist, zusätzlich flüssige Schmiermittel einzusetzen, dann lässt sich in jedem Fall die Menge der notwendigen Schmiermittel wesentlich verringern, beispielsweise um ca. 3 g/m². Die Reibungsverhältnisse beim Tiefziehen werden durch das Einbringen von Graphitpulver in den Kunststoff verbessert. Durch das Entfallen bzw. die Verringerung von flüssigen Schmiermitteln beim Tiefziehen wird die Verschmutzung im Arbeitsbereich wesentlich verringert und damit die Umwelt entlastet.
Die bevorzugte modulare Bauweise der erfindungsgemäßen Kunststoffwerkzeuge umfassend die Frontschicht (Umformbereich) und den Hinterbau ermöglicht die Wiederbenutzung eines großen Anteils der Werkzeuge. Durch die Einarbeitung des Materials mit Gleiteigenschaften in die Frontschicht und das dadurch bedingte (weitgehende) Entfallen von flüssigen Schmierstoffen erübrigt sich in der Regel auch das Entfetten der fertigen Ziehteile.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 eine stark schematisch vereinfachte perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Tiefziehvorgangs mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs;
Fig. 2 eine zweite schematisch vereinfachte Ansicht im Schnitt zur Erläuterung des Tiefziehvorgangs;
Fig. 3 eine schematisch vereinfachte perspektivische Ansicht eines in eine Tiefziehvorrichtung eingebauten erfindungsgemäßen Werkzeugs;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines fertigen Teils, welches mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs tiefgezogen wurde.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Zeichnung zeigt in stark schematisch vereinfachter perspektivischer Darstellung eine Anordnung von Werkzeugen für das Tiefziehen eines Blechteils 10. Es ist ein Werkzeugoberteil 8 zur Umformung des Blechteils 10 im Tiefziehverfahren vorgesehen sowie ein entsprechendes Werkzeugunterteil 9 in Form einer das Werkzeugoberteil 8 aufnehmenden Matrize. Das Werkzeugoberteil 8 besteht aus einem Hinterbau 12 aus Kunststoff und einer den Umformbereich bildenden Frontschicht 11, die ebenfalls aus Kunststoff besteht, wobei jedoch in diesen Kunststoff ein Graphitpulver 7 eingelagert ist zur Erzielung eines Selbstschmiereffekts bei der Umformung des Blechteils 10.
Der den Hinterbau 12 des Werkzeugs bildende Kunststoff enthält in der Regel ebenfalls Füllstoffe, jedoch können dies Füllstoffe konventioneller Art sein, um dem Werkzeug bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen, beispielsweise, um eine ausreichende Druckfestigkeit des Hinterbaus 12 zu gewährleisten. Das Werkzeugunterteil 9 besteht ebenfalls aus Kunststoff, wobei hier ebenfalls ein herkömmlicher Kunststoff verwendet werden kann, soweit es sich nicht um die Umformbereiche handelt. Allerdings empfiehlt es sich, auch bei dem Werkzeugunterteil 9 diejenigen Bereiche, die bei dem Umformvorgang mit dem tiefzuziehenden Blech 10 in Kontakt zu treten, aus einem Kunststoff mit dem eingelagerten Gleitmaterial herzustellen. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2, die in schematisch vereinfachter Darstellung die beim Tiefziehvorgang wirkenden Kräfte verdeutlicht, näher spezifiziert.
Fig. 2 zeigt die Lage eines Blechteils 10 zwischen den Frontschichten 11 eines Werkzeugoberteils 8 und eines Werkzeugunterteils 9. In beiden Fällen enthalten die aus Kunststoff bestehenden Frontschichten 11 zur Erzielung des Gleiteffekts eingelagertes Graphitpulver 7. In der Zeichnung ist durch den Pfeil angedeutet, dass beim Tiefziehvorgang auf das Blech 10 ebenso wie auf die Frontflächen der beiden Werkzeuge eine Scherkraft einwirkt, die im Prinzip senkrecht zur Bewegungsrichtung der Werkzeuge einwirkt. Durch diese Beanspruchung auf Scherung zwischen dem Blech 10 und den jeweils mit eingelagertem Graphit versehenen Frontschichten 11 von Werkzeugoberteil 8 bzw. Werkzeugunterteil 9 wird ein Gleiteffekt erzielt, der auf die Schmiereigenschaften des Graphits zurückgeht. Damit erübrigt sich die Verwendung eines flüssigen Schmierstoffs. Außerdem wurde festgestellt, dass durch die Einlagerung des Graphits in die jeweiligen Frontschichten 11 der Werkzeuge auch deren Druckfestigkeit an der Kontaktfläche gesteigert wird.
Mit einer Ziehmatrize gemäß der in Fig. 2 schematisch dargestellten Art wurden mehrere hundert Teile gezogen. Danach wurde der Zustand des Werkzeugs untersucht und es wurde festgestellt, dass dieser ohne weiteres ein weiteres Ziehen von tausenden von Teilen erlaubt.
Fig. 3 zeigt noch einmal etwas genauer in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Tiefziehvorrichtung, bei der man den aus Kunststoff bestehenden Hinterbau 12 des Werkzeugs erkennt, der an einer oberen Platte 20 der Vorrichtung befestigt ist, die beim Tiefziehvorgang abgesenkt wird. Dieses Absenken der Platte 20 und des aus Kunststoff bestehenden Werkzeugs erfolgt in einer Werkzeugführung 14 der Vorrichtung, die hier nicht näher erläutert werden soll.
In Fig. 3 erkennt man weiterhin die mit Graphiteinlagerungen versehene ebenfalls aus Kunststoff bestehende Frontschicht 11 des Werkzeugs sowie den darunter liegenden Blechhalter 13 der Vorrichtung.
In Fig. 4 ist in perspektivischer Darstellung ein Metallteil dargestellt, welches aus einem Metallblech mittels eines Werkzeugs der erfindungsgemäßen Art tiefgezogen wurde. Dabei handelt es sich hier um ein Abschirmblech 15 für ein Kraftfahrzeug. Wie man erkennt, weist das Abschirmblech 15 nach dem Umformvorgang konvex gewölbte Bereiche 18 sowie konkav gewölbte Bereiche 19 auf. Das Abschirmblech 15 hat außerdem diverse Ausstanzungen 16 sowie im Tiefziehprozess eingebrachte Umformbereiche wie beispielsweise die aus der Zeichnung erkennbare sickenartige Vertiefung 17. Es wurde festgestellt, dass sich mittels der erfindungsgemäßen Werkzeuge derartige Metallteile in hervorragender Qualität tiefziehen lassen. BEZUGSZEICHENLISTE 7 Graphitpulver
8 Werkzeugoberteil
9 Werkzeugunterteil
10 Blechteil
11 Frontschicht
12 Hinterbau
13 Blechhalter
14 Werkzeugführung
15 Abschirmblech
16 Ausstanzungen
17 Vertiefung
18 konvex gewölbter Bereich
19 konkav gewölbter Bereich
20 Platte

Claims

1. Werkzeug umfassend einen Teilbereich, der aus einem Kunststoff besteht, in den ein Material mit Gleiteigenschaften eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Umformwerkzeug ist und der Teilbereich (11) ein Umformbereich des Werkzeugs ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (11) eine Frontschicht des Werkzeugs umfasst.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (11) des Werkzeugs als Material mit Gleiteigenschaften Graphit enthält.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (11) des Werkzeugs Graphitpulver enthält.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (11) des Werkzeugs Graphitpulver in einer Korngröße von zwischen etwa 50 und etwa 250 µm enthält.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug im Umformbereich wenigstens eine Frontschicht aus Kunststoff enthaltend ein Material mit Gleiteigenschaften umfasst, wobei die Dicke der Frontschicht wenigstens etwa 5 mm beträgt.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontschicht (11) eine Dicke zwischen etwa 5 und etwa 15 mm aufweist.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem aus Kunststoff bestehenden Teilbereich (11) das Werkzeug einen ebenfalls im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Hinterbau (12) aufweist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterbau des Werkzeugs aus einem einen Füllstoff enthaltenden Kunststoff besteht.

10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterbau (12) als Füllstoff Aluminium und/oder Grauguss und/oder Sand, vorzugsweise in Pulverform enthält.

11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Tiefziehwerkzeug ist.

12. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Stempel, Blechhalter oder eine Matrize für das Tiefziehen von Metallteilen ist.

13. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Tiefziehwerkzeug für das Umformen von Metallteilen für den Automobilbau oder Flugzeugbau ist.