DE10160153C1 - Umformwerkzeug für Blech - Google Patents

Abstract

Ein Umformwerkzeug für Blech weist einen Formhohlraum in einem Werkzeugunterteil und eine den Formhohlraum umgebende Flanschfläche auf. Ein Niederhalter drückt die Flanschränder der umzuformenden Bleche mit einer Niederhalterfläche (6) gegen die Flanschfläche (3). Die Flanschfläche (3) und/oder die Niederhalterfläche (6) werden mindestens teilweise durch eine elastische Wand (3a bzw. 6a) gebildet, hinter der sich ein mit einem Druckmedium beaufschlagbarer Druckkanal (9 bzw. 10) befindet. Der Druckkanal (9 bzw. 10) erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang und kann über seine Länge unterschiedliche Kanalbreiten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug für Blech mit einem einen Formhohlraum aufweisenden Werkzeugunterteil, das eine den Formhohlraum umgebende Flanschfläche aufweist, und mit einem Niederhalter, der die Flanschränder der umzuformenden Bleche mit einer Niederhalterfläche gegen die Flanschfläche drückt.

Beim Tiefziehen, Sonderverfahren des Tiefziehens, z. B. hydrodynamisches Tiefziehen und beim Innenhochdruck- Umformen von Blech wird der Flanschrand der umzuformenden Blechplatine von einer Niederhalterfläche gegen die Flanschfläche des Werkzeugunterteils gedrückt. Beim Innenhochdruck-Umformen liegen hierbei zwei Blechplatinen aufeinander, zwischen denen ein Innendruck durch ein flüssiges Wirkmedium erzeugt wird. Der Niederhalter wird hierbei durch ein Werkzeugoberteil gebildet, das die gleiche oder eine andere Formkontur aufweisen kann als das Werkzeugunterteil. Beim herkömmlichen Tiefziehen wird das Blech durch einen starren Stempel umgeformt, während der Flanschrand des umzuformenden Blechs durch den Niederhalter gegen die Flanschfläche des Werkzeugunterteils gedrückt wird. Beim Tiefziehen mit Wirkmedien erfolgt die Übertragung der Umformkraft auf das Blech durch den hydrostatischen Druck des Wirkmediums.

Allen diesen Umformverfahren ist gemeinsam, dass die zwischen der Niederhalterfläche und der Flanschfläche des Werkzeugunterteils erzeugte Flächenpressung von entscheidendem Einfluss auf den Materialfluss und insbesondere auf die während der Umformung auftretenden Blechdickenunterschiede im Flanschbereich ist. Bei wirkmedienbasierten Umformverfahren, insbesondere dem Innenhochdruck-Umformen kommt noch hinzu, dass die zwischen der Niederhalterfläche und der Flanschfläche auftretende Flächenpressung für die Abdichtung des flüssigen Wirkmediums entscheidend ist.

Beim Innenhochdruck-Umformen werden zwei aufeinander liegende Blechplatinen in ein zweigeteiltes Umformwerkzeug eingelegt. Die Werkzeughälften bilden jeweils die Ober- und Unterkontur des späteren Hohlkörpers ab. Nach dem Schließen des Umformwerkzeugs wird das flüssige Wirkmedium, beispielsweise eine Öl-in-Wasser-Emulsion, über ein Andocksystem zwischen die Blechplatinen zugeführt. Bei weiterer Druckbeaufschlagung legt sich das Blechmaterial an die Werkzeugkonturen an, wobei Blechmaterial aus dem Niederhalterbereich nachfließt. Zur Steuerung dieses Materialflusses ist es bekannt, die Werkzeug-Schließkraft während des Umformvorgangs zu steuern (VDI 3146 Blatt 2 - Entwurf: Innenhochdruck-Umformen, Maschinen und Anlagen, VDI Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf, 1999).

Wenn das Werkstück weitgehend ausgeformt ist, d. h. wenn größere Bereiche des Blechs bereits an der Werkzeugkontur anliegen, wird das Werkstück mit höherem Wirkmediendruck auskalibriert. Dies ist erforderlich, um die Eckbodenradien endkonturnah auszuformen. Nach Öffnen des Umformwerkzeugs erhält man zwei Werkstückhalbschalen.

Ein wesentliches Problem beim Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen liegt darin, dass die während der Umformung im Flanschbereich auftretenden unterschiedlichen Blechdickenzunahmen kompensiert werden müssen. Diese Kompensation ist erforderlich, um Undichtigkeiten zu vermeiden. Bei den bisherigen Umformwerkzeugen ließ sich dieses Problem nur dadurch beherrschen, dass verhältnismäßig hohe Schließkräfte gewählt werden und demzufolge hohe Flächenpressungen im Flanschbereich auftreten; diese führen aber zu einer nachteiligen Behinderung des Materialflusses.

Auch bei den anderen, eingangs genannten Umformverfahren mit oder ohne Verwendung eines Wirkmediums besteht die Schwierigkeit, dass die Niederhaltekraft einerseits so hoch gewählt werden muss, dass eine Faltenbildung insbesondere in Eckbereichen vermieden wird; andererseits muss die Niederhaltekraft aber so gewählt werden, dass sie noch einen ausreichenden Materialfluss ermöglicht.

Beim konventionellen Tiefziehen wurden schon unterschiedliche Anstrengungen unternommen, um die Flächenpressungen im Flanschbereich zu beeinflussen. Hierfür wurden elastische Niederhaltersysteme verwendet, beispielsweise hydro-elastische Niederhalter (Stock, G.: Alternative Verfahren zur Verbesserung des Tiefziehergebnisses auf einfachwirkenden Pressen. Berichte aus dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover, Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 380, VDI Verlag, 1995).

Bei einem bekannten Werkzeug zum hydraulischen Umformen von Blech (DE 915 324 C) ist am Deckel eine federnd gelagerte, starre Faltenhalterplatte vorgesehen, die am Rand des Formhohlraums auf die umzuformende Blechplatine drückt. Eine gesonderte Anpassung der Niederhalterkräfte an die jeweiligen Erfordernisse ist hierdurch jedoch nicht möglich.

Bekannt ist auch, unterschiedliche Kombinationen aus Platten, Rippen und Krafteinleitungssegmenten zu verwenden (Siegert, K., Wagner, S.: Stand der Technik und Trends in der Blechbearbeitung, VDI Berichte 1431, 1998). Es ist auch bekannt, mit Membran-Kurzhubzylindern die Flächenpressung im Flanschbereich von Tiefziehwerkzeugen zu beeinflussen (Kleiner, M.: Einsatzbereiche und Potentiale wirkmedienbasierter Umformverfahren, 1. Stahl-Symposium, Düsseldorf, Mai 2001).

Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Krafteinleitung über Rippen od. dgl. oftmals wiederum zu einer ungleichmäßigen Flächenpressung führt und insbesondere nicht flexibel an die jeweiligen Gegebenheiten anpassbar ist. Vielpunkt- Zieheinrichtungen mit mehreren Kurzhubzylindern erfordern einen sehr hohen konstruktiven Aufwand und sind deshalb nur sehr begrenzt einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Umformwerkzeug der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass die im Flanschbereich wirkenden Niederhalterkräfte optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flanschfläche und/oder die Niederhalterfläche mindestens teilweise durch eine elastische Wand gebildet werden, hinter der sich ein mit einem Druckmedium beaufschlagbarer Druckkanal befindet.

Durch unterschiedliche Gestaltung der Druckkanalkontur, insbesondere seiner Breite und Höhe, durch geeignete Wahl der Dicke der elastischen Wand und durch Änderung der Druckbeaufschlagung des Druckkanals kann das elastische Verhalten Flanschfläche und/oder der Niederhalterfläche in allen Flanschbereichen an die jeweils dort vorliegenden Bedingungen angepasst werden. Man erhält ein aktiv­ elastisches Werkzeugsystem, bei dem die Elastizität in einzelnen Flanschbereichen gezielt beeinflusst werden kann. Beispielsweise kann in denjenigen Bereichen, in denen die größten Blechaufdickungen zu erwarten sind, durch die Wahl einer größeren Kanalbreite eine höhere Elastizität erreicht werden. Dies ist beispielsweise bei einem abgerundet­ rechteckigen Grundriss vor allem in den mittleren Bereichen der Seiten der Fall. Da die zu kompensierenden Blechdicken in den Eckbereichen geringer sind und nahe an der Ziehkante liegen, kann dort eine geringere Kanalbreite gewählt werden. Zugleich kann in allen Flanschbereichen dabei sichergestellt werden, dass beim Einsatz beim Innenhochdruck-Umformen eine ausreichende Dichtwirkung gewährleistet ist.

Durch Veränderung des Drucks im Druckkanal kann eine gezielte Materflusssteuerung im Flanschbereich bei gleichzeitiger Reduzierung der notwendigen Dichtkräfte erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 in räumlicher Darstellungsweise ein Umformwerkzeug zum Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen in einer räumlichen Teildarstellung,

Fig. 2 einen vereinfachten senkrechten Schnitt durch das Umformwerkzeug nach Fig. 1,

Fig. 3a-e in Teilschnitten entsprechend der Fig. 2 aufeinander folgende Verfahrensschritte und

Fig. 4 eine vereinfachte Draufsicht in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 1.

Das in der Zeichnung dargestellte Umformwerkzeug dient zum Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Flächen. Es weist ein Werkzeugunterteil 1 auf, in dem ein Formhohlraum 2 ausgebildet ist. Eine Flanschfläche 3 umgibt den Formhohlraum 2.

Ein Werkzeugoberteil 4, das gleichzeitig als Niederhalter für das umzuformende Blech dient, weist ebenfalls einen Formhohlraum 5 auf, den eine Niederhalterfläche 6 umgibt. Beim Umformvorgang drückt die Niederhalterfläche 6 die aufeinander liegenden Flanschränder 7 der beiden gemeinsam umzuformenden Bleche 8 gegen die Flanschfläche 3 des Unterwerkzeugs 1.

Die Flanschfläche 3 und die Niederhalterfläche 6 werden teilweise durch eine elastische Wand 3a bzw. 6a gebildet, hinter sich jeweils ein Druckkanal 9 bzw. 10 befindet, der aus einer (nicht dargestellten) Druckmittelquelle gesteuert mit einem flüssigen Druckmedium beaufschlagbar ist. Durch eine (nichtgezeigte) Druckquelle für ein flüssiges Druckmedium kann über eine (nicht gezeigte) Andockeinrichtung der Zwischenraum 11 zwischen den beiden Blechen 8 mit Druck beaufschlagt werden, um die beiden Bleche 8 in entgegengesetzten Richtungen zu verformen.

Wie in Fig. 3a gezeigt, werden die umzuformenden Bleche 8 zunächst in Form zweier ebener Blechplatinen auf das Unterwerkzeug 1 aufgelegt. Sodann wird das Oberwerkzeug 2 mit einer vorgegebenen Schließkraft gegen die Flanschränder 7 der Bleche 8 gedrückt (Fig. 3b) und die Druckkanäle 9 und 10 werden mit Druck beaufschlagt.

In dem anschließenden Verfahrensschritt (Fig. 3c) wird der Zwischenraum 11 mit Druck beaufschlagt, so dass sich die beiden Bleche 8 in entgegengesetzten Richtungen in die Formhohlräume 2 und 5 hinein verformen, bis sie zur vollständigen Anlage an der Innenkontur der Formhohlräume 2 und 5 kommen (Fig. 3d). Dabei fließen die Flanschränder 7 aus dem Spalt zwischen der Flanschfläche 3 und der Niederhalterfläche 6 teilweise in die Formhohlräume 2 und 5. Zugleich werden die beiden Flanschränder 7 aber mit ausreichend hoher Flächenpressung gegeneinander gedrückt, um eine Abdichtung des Zwischenraums 11 aufrechtzuerhalten.

Anschließend wird das Umformwerkzeug geöffnet (Fig. 3e) und die beiden aus den Blechen 8 entstandenen schalenförmigen Werkstücke können entnommen werden.

Wie man aus Fig. 4 erkennt, erstreckt sich der Druckkanal 9 (und ebenso der nicht dargestellte Druckkanal 10) über den gesamten Umfang des Formhohlraums 2 bzw. 5. Stattdessen kann der Druckkanal 9 bzw. 10 auch in voneinander getrennte Kanalabschnitte unterteilt sein, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagbar sind, um in einzelnen Umfangsbereichen unterschiedliche Elastizitäten und insbesondere unterschiedliche Flächenpressungen zu erreichen.

Fig. 4 zeigt außerdem, dass der Druckkanal 9 über seine Länge unterschiedliche Kanalbreiten aufweist. So ist die Kanalbreite im mittleren Bereich der jeweils geraden Seitenlinien des im Grundriss abgerundetrechteckigen Formhohlraums 2 breiter gewählt als in den Eckbereichen. In entsprechender Weise kann auch der Druckkanal 10 gestaltet sein.

Zusätzlich oder alternativ können die Druckkanäle 9 und 10 in unterschiedlichen Umfangsbereichen auch unterschiedliche Kanalhöhen aufweisen. Schließlich ist es insbesondere auch möglich, die Dicke der elastischen Wand 3a bzw. 6a über die Kanallänge unterschiedlich auszuführen, um bereits dadurch unterschiedliche Elastizitäten im Flanschbereich einstellen zu können.

Eine variable Steuerung des Druckes im Druckkanal 9 bzw. 10 während der Umformung ist möglich, um den Materialfluss zu steuern.

Die lokale Nachgiebigkeit der Wände 3a bzw. 6a der Druckkanäle 9 bzw. 10 ermöglicht die Kompensation von Blechaufdickungen (Blechdickendifferenzen).

Claims (6)

1. Umformwerkzeug für Blech mit einem einen Formhohlraum aufweisenden Werkzeugunterteil, das eine den Formhohlraum umgebende Flanschfläche aufweist, und mit einem Niederhalter, der die Flanschränder der umzuformenden Bleche mit einer Niederhalterfläche gegen die Flanschfläche drückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschfläche (3) und/oder die Niederhalterfläche (6) mindestens teilweise durch eine elastische Wand (3a, 6a) gebildet werden, hinter der sich ein mit einem Druckmedium beaufschlagbarer Druckkanal (9, 10) befindet.

2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckkanal (9, 10) über den gesamten Umfang des Formhohlraums (2) erstreckt.

3. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (9, 10) über seine Länge unterschiedliche Kanalbreiten aufweist.

4. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (9, 10) über seine Länge unterschiedliche Kanalhöhen aufweist.

5. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der elastischen Wand (3a bzw. 6a) über die Kanallänge unterschiedlich ist.

6. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (9 bzw. 10) in voneinander getrennte Kanalabschnitte unterteilt ist, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagbar sind.